NIO学习（十）：Java NIO的零拷贝知识

背景

1. 在什么地方使用NIO和AIO？
   场景：网络应用编程，需要服务端和客户端。多机之间进行传输数据的场景
2. 在什么地方使用IO？
   场景：单机。不需要服务端和客户端。就是常使用的包装类（Reader, Writer；Inputstream, Outputstream）。
3. JDK NIO中有FileChannle#transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel)就是一个零拷贝的实例。
4. JDK NIO中DirectByteBuffer，直接把内存交给操作系统管理，也是零拷贝知识的实例。
5. 在Netty中对内存的使用，有池化和非池化，然后有堆上内存和堆外内存（直接内存）
6. 只要是I/O操作，则一定是需要操作系统的API支持。

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零知识演变过程

常规IO操作流程

1. 操作系统是一个中间桥梁。
2. 当应用程序（用户空间）发起，操作系统调用读请求（Native方法），内核空间接收到请求后，操作系统切换到内核空间模式，内核空间需要去磁盘上读文件，直接内存访问（DMA）读到内核空间的缓冲区中，然后在拷贝到用户空间的缓冲区中，用户空间然后在进行业务逻辑运算。
3. 当应用程序（用户空间）发起，系统调用写请求（Native方法），内核空间接收到请求后，操作系统切换到内核空间模式，然后拷贝数据到内核空间的缓冲区，然后从内核空间拷贝到Socket Buffer中，在写数据到客户端。
4. 4次上下文切换。2次没有必要的拷贝。1次从内核空间拷贝数据到Socket Buffer中。

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操作系统上的零拷贝过程

1. 应用程序发起了sendfile()的系统调用。
2. 这里的直接内存是连续的。这样把所有数据放到这块连续的内存中。
3. 2次上下文切换。1次从内核空间拷贝数据到Socket buffer中。

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优化零拷贝实现机制

1. 内存是不连续的。
2. 文件描述符（文件的元信息）的信息存储在socket buffer中。

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最好的做法

1. 从用户空间切换到内核空间，内核空间读(DMA)磁盘上数据到内核空间（kernel buffer）,把文件描述符的数据（文件的元信息）拷贝到socket buffer。protocol engine 从socket buffer中读去文件描述符信息，然后去kernel buffer中读取真正的数据信息。这就是Buffer支持的gathering知识。
2. 直接内存是不连续的。真实数据在kernel buffer中，文件描述符信息在socket buffer中。通过buffer的gathering功能实现。

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小结

1. 零拷贝？：免去了用户空间和内核空间的数据拷贝过程。这样可以减少了堆上内存，也就减少了Full GC的次数和时间。
2. 零拷贝其实就是堆外内存，或者理解为直接内存。把原来需要跟用户空间进行数据拷贝的过程省掉，交给操作系统管理。
3. 零拷贝的实现，需要操作系统提供相应的API支持。
4. 操作系统是应用程序和外界输入输出设备（Socket I/O）之间的桥梁。