Java如何实现零拷贝

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什么是零拷贝

在操作系统中，从内核的形态区分，可以分为内核态（Kernel Space）和用户态（User Space）。

在传统的IO中，如果把数据通过网络发送到指定端的时候，数据需要经历下面的几个过程：

IO

  1. 当调用系统函数的时候，CPU执行一系列准备工作，然后把请求发送给DMA处理（DMA可以理解为专门处理IO的组件），DMA将硬盘数据通过总线传输到内存中。
  2. 当程序需要读取内存的时候，这个时候会执行CPU Copy,内存会有内核态写入用户的缓存区。
  3. 系统调用write()方法时，数据从用户态缓冲区写入到网络缓冲区(Socket Buffer)， 由用户态编程内核态。
  4. 最后由DMA写入网卡驱动中，传输到网卡的驱动。

可以看到，传统的IO的读写，数据会经历4次内存的拷贝，这种拷贝拷贝会带来资源的浪费和效率的底下。

如何实现零拷贝

内存映射方式I/O

在顺序IO中有一个mmap的机制，具体数据是怎么流转的呢？

IO

  1. 数据通过DMA读取写入的内核空间的内存,通过内存共享的方式，把这块数据与用户空间的进行共用，减少了一次CPU的拷贝。

  2. 然后数据直接写入到网络的缓存区

  3. 最后由DMA写入的网卡的驱动的缓存。

从上面的图可以看出，内存映射的方式减少了CPU的读写次数，但是拷贝的次数还是有四次。

通过sendfile实现的零拷贝I/O

通过sendfile()系统调用，可以做到内核空间内部直接进行I/O传输。

IO

与内存映射方法不同，sendfile的方式用户态是无法看到真正的内存，是无法修改的。仅仅是一个指令，让内存从内核空间拷贝到socket buffer中。

同样sendfile也会有一次CPU的拷贝。

真正的零拷贝

IO

上图中的数据流转，都是通过DMA的来进行处理的，没有经过CPU Copy操作，这个需要硬件支持，具体的操作系统会根据硬件条件来选择实现的方式。

Java实现

Java的实现是FileChannel的transferTo方法的调用 

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File file = new File("test.zip");
 RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
 FileChannel fileChannel = raf.getChannel();
 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("", 1234));
 // 直接使用了transferTo()进行通道间的数据传输
 fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);