NIO效率高的原理之零拷贝与直接内存映射
前言
在笔者上一篇博客，详解了NIO，并总结NIO相比BIO的效率要高的三个原因，点击查看。
这篇博客将针对第三个原因，进行更详细的讲解。
首先澄清，零拷贝与内存直接映射并不是Java中独有的概念，并且这两个技术并不是等价的。
零拷贝
零拷贝是指避免在用户态(User-space) 与内核态(Kernel-space) 之间来回拷贝数据的技术。
传统IO
传统IO读取数据并通过网络发送的流程，如下图
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read()调用导致上下文从用户态切换到内核态。内核通过sys_read()（或等价的方法）从文件读取数据。DMA引擎执行第一次拷贝：从文件读取数据并存储到内核空间的缓冲区。
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请求的数据从内核的读缓冲区拷贝到用户缓冲区，然后read()方法返回。read()方法返回导致上下文从内核态切换到用户态。现在待读取的数据已经存储在用户空间内的缓冲区。至此，完成了一次IO的读取过程。
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send()调用导致上下文从用户态切换到内核态。第三次拷贝数据从用户空间重新拷贝到内核空间缓冲区。但是，这一次，数据被写入一个不同的缓冲区，一个与目标套接字相关联的缓冲区。
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send()系统调用返回导致第四次上下文切换。当DMA引擎将数据从内核缓冲区传输到协议引擎缓冲区时，第四次拷贝是独立且异步的。
内存缓冲数据(上图中的read buffer和socket buffer )，主要是为了提高性能，内核可以预读部分数据，当所需数据小于内存缓冲区大小时，将极大的提高性能。
磁盘到内核空间属于DMA拷贝，用户空间与内核空间之间的数据传输并没有类似DMA这种可以不需要CPU参与的传输方式，因此用户空间与内核空间之间的数据传输是需要CPU全程参与的（如上图所示）。
DMA拷贝即直接内存存取，原理是外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据
所以也就有了使用零拷贝技术，避免不必要的CPU数据拷贝过程。
NIO的零拷贝
NIO的零拷贝由transferTo方法实现。transferTo方法将数据从FileChannel对象传送到可写的字节通道（如Socket Channel等）。在transferTo方法内部实现中，由native方法transferTo0来实现，它依赖底层操作系统的支持。在UNIX和Linux系统中，调用这个方法会引起sendfile()系统调用，实现了数据直接从内核的读缓冲区传输到套接字缓冲区，避免了用户态(User-space) 与内核态(Kernel-space) 之间的数据拷贝。
使用NIO零拷贝，流程简化为两步：
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transferTo方法调用触发DMA引擎将文件上下文信息拷贝到内核读缓冲区，接着内核将数据从内核缓冲区拷贝到与套接字相关联的缓冲区。
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DMA引擎将数据从内核套接字缓冲区传输到协议引擎（第三次数据拷贝）。
内核态与用户态切换如下图：
相比传统IO，使用NIO零拷贝后改进的地方：
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我们已经将上下文切换次数从4次减少到了2次；
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将数据拷贝次数从4次减少到了3次（其中只有1次涉及了CPU，另外2次是DMA直接存取）。
如果底层NIC（网络接口卡）支持gather操作，可以进一步减少内核中的数据拷贝。在Linux 2.4以及更高版本的内核中，socket缓冲区描述符已被修改用来适应这个需求。这种方式不但减少上下文切换，同时消除了需要CPU参与的重复的数据拷贝。
用户这边的使用方式不变，依旧通过transferTo方法，但是方法的内部实现发生了变化：
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transferTo方法调用触发DMA引擎将文件上下文信息拷贝到内核缓冲区。
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数据不会被拷贝到套接字缓冲区，只有数据的描述符（包括数据位置和长度）被拷贝到套接字缓冲区。DMA 引擎直接将数据从内核缓冲区拷贝到协议引擎，这样减少了最后一次需要消耗CPU的拷贝操作。
NIO零拷贝适用于以下场景：
-
文件较大，读写较慢，追求速度
-
JVM内存不足，不能加载太大数据
-
内存带宽不够，即存在其他程序或线程存在大量的IO操作，导致带宽本来就小
NIO的零拷贝代码示例
/**
* filechannel进行文件复制（零拷贝）
*
* @param fromFile 源文件
* @param toFile 目标文件
*/
public static void fileCopyWithFileChannel(File fromFile, File toFile) {
try (// 得到fileInputStream的文件通道
FileChannel fileChannelInput = new FileInputStream(fromFile).getChannel();
// 得到fileOutputStream的文件通道
FileChannel fileChannelOutput = new FileOutputStream(toFile).getChannel()) {
//将fileChannelInput通道的数据，写入到fileChannelOutput通道
fileChannelInput.transferTo(0, fileChannelInput.size(), fileChannelOutput);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
static final int BUFFER_SIZE = 1024;
/**
* BufferedInputStream进行文件复制（用作对比实验）
*
* @param fromFile 源文件
* @param toFile 目标文件
*/
public static void bufferedCopy(File fromFile,File toFile) throws IOException {
try(BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(fromFile));
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(toFile))){
byte[] buf = new byte[BUFFER_SIZE];
while ((bis.read(buf)) != -1) {
bos.write(buf);
}
}
}
在不需要进行数据文件操作时，可以使用NIO的零拷贝。但如果既需要IO速度，又需要进行数据操作，则需要使用NIO的直接内存映射。
直接内存映射
Linux提供的mmap系统调用, 它可以将一段用户空间内存映射到内核空间, 当映射成功后, 用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间；同样地， 内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间。正因为有这样的映射关系, 就不需要在用户态(User-space)与内核态(Kernel-space) 之间拷贝数据， 提高了数据传输的效率，这就是内存直接映射技术。
NIO的直接内存映射
JDK1.4加入了NIO机制和直接内存，目的是防止Java堆和Native堆之间数据复制带来的性能损耗，此后NIO可以使用Native的方式直接在 Native堆分配内存。
背景：堆内数据在flush到远程时，会先复制到Native 堆，然后再发送；直接移到堆外就更快了。
在JDK8，Native Memory包括元空间和Native 堆。更多有关JVM的知识，点击查看JVM内存模型和垃圾回收机制
直接内存的创建
在ByteBuffer有两个子类，HeapByteBuffer和DirectByteBuffer。前者是存在于JVM堆中的，后者是存在于Native堆中的。
申请堆内存
public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
if (capacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}
申请直接内存
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}
使用直接内存的原因
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对垃圾回收停顿的改善。因为full gc时，垃圾收集器会对所有分配的堆内内存进行扫描，垃圾收集对Java应用造成的影响，跟堆的大小是成正比的。过大的堆会影响Java应用的性能。如果使用堆外内存的话，堆外内存是直接受操作系统管理。这样做的结果就是能保持一个较小的JVM堆内存，以减少垃圾收集对应用的影响。（full gc时会触发堆外空闲内存的回收。）
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减少了数据从JVM拷贝到native堆的次数，在某些场景下可以提升程序I/O的性能。
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可以突破JVM内存限制，操作更多的物理内存。
当直接内存不足时会触发full gc，排查full gc的时候，一定要考虑。
有关JVM和GC的相关知识，请点击查看JVM内存模型和垃圾回收机制
使用直接内存的问题
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堆外内存难以控制，如果内存泄漏，那么很难排查（VisualVM可以通过安装插件来监控堆外内存）。
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堆外内存只能通过序列化和反序列化来存储，保存对象速度比堆内存慢，不适合存储很复杂的对象。一般简单的对象或者扁平化的比较适合。
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直接内存的访问速度（读写方面）会快于堆内存。在申请内存空间时，堆内存速度高于直接内存。
直接内存适合申请次数少，访问频繁的场合。如果内存空间需要频繁申请，则不适合直接内存。
NIO的直接内存映射
NIO中一个重要的类：MappedByteBuffer——java nio引入的文件内存映射方案，读写性能极高。MappedByteBuffer将文件直接映射到内存。可以映射整个文件，如果文件比较大的话可以考虑分段进行映射，只要指定文件的感兴趣部分就可以。
由于MappedByteBuffer申请的是直接内存，因此不受Minor GC控制，只能在发生Full GC时才能被回收，因此Java提供了DirectByteBuffer类来改善这一情况。它是MappedByteBuffer类的子类，同时它实现了DirectBuffer接口，维护一个Cleaner对象来完成内存回收。因此它既可以通过Full GC来回收内存，也可以调用clean()方法来进行回收
NIO的直接内存映射的函数调用
FileChannel提供了map方法来把文件映射为内存对象：
MappedByteBuffer map(int mode,long position,long size);可以把文件的从position开始的size大小的区域映射为内存对象，mode指出了 可访问该内存映像文件的方式
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READ_ONLY,（只读）： 试图修改得到的缓冲区将导致抛出 ReadOnlyBufferException.(MapMode.READ_ONLY)
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READ_WRITE（读/写）： 对得到的缓冲区的更改最终将传播到文件；该更改对映射到同一文件的其他程序不一定是可见的。 (MapMode.READ_WRITE)
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PRIVATE（专用）： 对得到的缓冲区的更改不会传播到文件，并且该更改对映射到同一文件的其他程序也不是可见的；相反，会创建缓冲区已修改部分的专用副本。 (MapMode.PRIVATE)
使用参数-XX:MaxDirectMemorySize=10M，可以指定DirectByteBuffer的大小最多是10M。
直接内存映射代码示例
static final int BUFFER_SIZE = 1024;
/**
* 使用直接内存映射读取文件
* @param file
*/
public static void fileReadWithMmap(File file) {
long begin = System.currentTimeMillis();
byte[] b = new byte[BUFFER_SIZE];
int len = (int) file.length();
MappedByteBuffer buff;
try (FileChannel channel = new FileInputStream(file).getChannel()) {
// 将文件所有字节映射到内存中。返回MappedByteBuffer
buff = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, channel.size());
for (int offset = 0; offset < len; offset += BUFFER_SIZE) {
if (len - offset > BUFFER_SIZE) {
buff.get(b);
} else {
buff.get(new byte[len - offset]);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("time is:" + (end - begin));
}
/**
* HeapByteBuffer读取文件
* @param file
*/
public static void fileReadWithByteBuffer(File file) {
long begin = System.currentTimeMillis();
try(FileChannel channel = new FileInputStream(file).getChannel();) {
// 申请HeapByteBuffer
ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(BUFFER_SIZE);
while (channel.read(buff) != -1) {
buff.flip();
buff.clear();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("time is:" + (end - begin));
}
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