相关IO专题
JAVA IO专题一：java InputStream和OutputStream读取文件并通过socket发送，到底涉及几次拷贝
JAVA IO专题二：java NIO读取文件并通过socket发送，最少拷贝了几次？堆外内存和所谓的零拷贝到底是什么关系
JAVA IO专题三：java的内存映射和应用场景
JAVA IO专题四：java顺序IO原理以及对应的应用场景
内核的零拷贝
内核的零拷贝，指的是不需要消耗CPU资源，完全交给DMA来处理，内核空间的数据没有多余的拷贝。主要经历了这么几个发展历程：
一、传统的read + send
1、先调用操作系统的read函数，由DMA将文件拷贝到内核，然后CPU把内核数据拷贝到用户缓冲区（堆外内存）
2、调用操作系统的send函数，由CPU把用户缓冲区的数据拷贝到socket缓冲区，最后DMA把socket缓冲区数据拷贝到网卡进行发送。
这个过程中内核数据拷贝到用户空间，用户空间又拷贝回内存，有两次多余的拷贝。
二、sendfile初始版本
直接调用sendfile来发送文件，流程如下：
1、首先通过 DMA将数据从磁盘读取到内核
2、然后通过 CPU将数据从内核拷贝到socket缓冲区
3、最终通过 DMA将socket缓冲区数据拷贝到网卡发送
sendfile 与 read + send 方式相比，少了一次 CPU的拷贝。但是从上述过程中也可以发现从内核缓冲区拷贝到socket缓冲区是没必要的。
三、sendfile改进版本，真正的零拷贝
内核为2.4或者以上版本的linux系统上，改进后的处理过程如下：
1、DMA 将磁盘数据拷贝到内核缓冲区，向socket缓冲区中追加当前要发送的数据在内核缓冲区中的位置和偏移量
2、DMA gather copy 根据 socket缓冲区中的位置和偏移量，直接将内核缓冲区中的数据拷贝到网卡上。
经过上述过程，数据只经过了 2 次 copy 就从磁盘传送出去了。并且没有CPU的参与。
java的零拷贝
一、利用directBuffer
在上一篇文章JAVA IO专题一：java InputStream和OutputStream读取文件并通过socket发送，到底涉及几次拷贝中，我们提到了基于BIO读取文件发送消息，一共涉及六次拷贝，其中堆外和堆内内存的拷贝是多余的，我们可以利用directBuffer来减少这两次拷贝：
//打开文件通道
FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("/test.txt"));
//申请堆外内存
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
//读取到堆外内存
fileChannel.read(byteBuffer);
//打开socket通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9099));
//堆外内存写入socket通道
socketChannel.write(byteBuffer);
每一行代码都有清楚的注释，我们主要来看一下fileChannel.read、socketChannel.write做了什么：
- fileChannel.read 分析
//FileChannelImpl
public int read(ByteBuffer dst) throws IOException {
... 忽略了一堆不重要代码
synchronized (positionLock) {
int n = 0;
int ti = -1;
try {
do {
// 调用IOUtil，根据文件描述符fd读取数据到直接缓冲区dst中
n = IOUtil.read(fd, dst, -1, nd);
} while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
return IOStatus.normalize(n);
} finally {
threads.remove(ti);
end(n > 0);
assert IOStatus.check(n);
}
}
}
//IOUtil
static int read(FileDescriptor fd, ByteBuffer dst, long position,
NativeDispatcher nd)
throws IOException
{
ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(dst.remaining());
try {
int n = readIntoNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
bb.flip();
if (n > 0)
dst.put(bb);
return n;
} finally {
Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
}
}
private static int readIntoNativeBuffer(FileDescriptor fd, ByteBuffer bb,
long position, NativeDispatcher nd)
throws IOException
{
int pos = bb.position();
int lim = bb.limit();
assert (pos <= lim);
int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
if (rem == 0)
return 0;
int n = 0;
if (position != -1) {
n = nd.pread(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos,
rem, position);
} else {
//第一次读取会走到这里，否则走上面的分支
n = nd.read(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);
}
if (n > 0)
bb.position(pos + n);
return n;
}
//FileDispatcherImpl
int read(FileDescriptor fd, long address, int len) throws IOException {
return read0(fd, address, len);
}
这里的调用链比较深，我们一步一步梳理：
- 调用fileChannel.read实际是走到了FileChannelImpl.read方法，然后走到
n = IOUtil.read(fd, dst, -1, nd);调用IOUtil的read，传入了文件描述符、directBuffer - IOUtil 调用自己的
readIntoNativeBuffer方法，字面意思是讲数据读取到native缓存，即堆外内存 - IOUtil 的
readIntoNativeBuffer方法调用n = nd.read(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);，即NativeDispatcher 的read方法，传入文件描述符，堆外内存地址以及要读取的长度 - 这里的 NativeDispatcher 实现类为 FileDispatcherImpl，实际调用的是native方法read0，并传入了文件描述符、堆外内存地址和读取长度
我们简单看一下native的read0方法做了什么：
// 以下内容来自于 jdk/src/solairs/native/sun/nio/ch/FileDispatcherImpl.c
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_sun_nio_ch_FileDispatcherImpl_read0(JNIEnv *env, jclass clazz,
jobject fdo, jlong address, jint len)
{
//拿到文件描述符
jint fd = fdval(env, fdo);
//根据地址拿到堆外内存的指针
void *buf = (void *)jlong_to_ptr(address);
//直接调用系统函数read把文件描述符读取到buf中
return convertReturnVal(env, read(fd, buf, len), JNI_TRUE);
}
可以看到native的read0方法是直接调用系统函数read，根据jvm传过来的堆外内存地址，将文件数据读取到堆外内存中（read方法的作用在内核零拷贝小节里已经提到了）。即直接操作堆外内存，而不使用DirectByteBuffer的时候，还需要将堆外内存拷贝到堆内进行读写JAVA IO专题一：java InputStream和OutputStream读取文件并通过socket发送，到底涉及几次拷贝），因此使用堆外内存+channel的方式，可以避免堆内外内存拷贝，一定程度上也能提高效率。
- socketChannel.write 分析
//SocketChannelImpl.java
public int write(ByteBuffer buf) throws IOException {
synchronized (writeLock) {
... 忽略不重要代码
int n = 0;
try {
for (;;) {
//调用IOUtil.write写数据
n = IOUtil.write(fd, buf, -1, nd);
if ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen())
continue;
return IOStatus.normalize(n);
}
} finally {
writerCleanup();
}
}
}
//IOUtil.java
static int write(FileDescriptor fd, ByteBuffer src, long position,
NativeDispatcher nd)
throws IOException
{
if (src instanceof DirectBuffer)
//directBuffer直接走这里
return writeFromNativeBuffer(fd, src, position, nd);
}
private static int writeFromNativeBuffer(FileDescriptor fd, ByteBuffer bb,
long position, NativeDispatcher nd) throws IOException
{
int pos = bb.position();
int lim = bb.limit();
assert (pos <= lim);
int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
int written = 0;
if (rem == 0)
return 0;
if (position != -1) {
written = nd.pwrite(fd,
((DirectBuffer)bb).address() + pos,
rem, position);
} else {
//调用SocketDispatcher写数据
written = nd.write(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);
}
if (written > 0)
bb.position(pos + written);
return written;
}
//SocketDispatcher.java
int write(FileDescriptor fd, long address, int len) throws IOException {
//直接调用了FileDispatcherImpl的native方法write0
return FileDispatcherImpl.write0(fd, address, len);
}
在看native方法之前还是先做简单的梳理：
- socketChannel.write 实际调用了SocketChannelImpl.write，然后调用
IOUtil.write(fd, buf, -1, nd);传入文件描述符和堆外内存引用 -
IOUtil.write调用自己的私有方法writeFromNativeBuffer，内部调用了written = nd.write(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);，将文件描述符、堆外内存地址交给了NativeDispatcher - 此处的NativeDispatcher实际是 SocketDispatcher，里面直接调用了
FileDispatcherImpl.write0(fd, address, len);native方法
接着跟踪FileDispatcherImpl.write0(fd, address, len);这个native方法：
// 以下内容来自于 jdk/src/solairs/native/sun/nio/ch/FileDispatcherImpl.c
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_sun_nio_ch_FileDispatcherImpl_write0(JNIEnv *env, jclass clazz,
jobject fdo, jlong address, jint len)
{
//转换文件描述符
jint fd = fdval(env, fdo);
//转换为堆外内存指针
void *buf = (void *)jlong_to_ptr(address);
//直接调用系统函数write将堆外内存数据发送出去
return convertReturnVal(env, write(fd, buf, len), JNI_FALSE);
}
可以看到native的write0方法是直接调用系统函数write将堆外内存数据发送出去（write方法的作用在内核零拷贝小节里已经提到了）。
- 小结
fileChannel和socketChannel配合directBuffer，本质上区别不大，都是配合系统函数write和read对文件描述符，直接操作堆外内存。因此相比较于BIO可以省去两次拷贝。
二、channel.transferTo
java中的零拷贝就是依赖操作系统的sendfile函数来实现的，提供了channel.transferTo方法，允许将一个channel的数据直接发送到另一个channel，接下来我们通过示例代码和具体的源码来分析和验证前面的说法。
示例代码如下：
//打开socketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9099));
//
FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("/test.txt"));
fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);
只用了一行代码fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);就把文件数据写到了socket，继续看源码：
//FileChannelImpl.java
public long transferTo(long position, long count,
WritableByteChannel target)
throws IOException
{
... 忽略不重要代码
long sz = size();
if (position > sz)
return 0;
int icount = (int)Math.min(count, Integer.MAX_VALUE);
if ((sz - position) < icount)
icount = (int)(sz - position);
long n;
//先尝试直接tranfer，如果内核支持的话
if ((n = transferToDirectly(position, icount, target)) >= 0)
return n;
//尝试mappedTransfer，只适用于受信任的channel类型
if ((n = transferToTrustedChannel(position, icount, target)) >= 0)
return n;
//channel不受信任的话，会走最慢的方式
return transferToArbitraryChannel(position, icount, target);
}
// FileChannelimpl.java
private long transferToDirectly(long position, int icount,
WritableByteChannel target)
throws IOException
{
if (!transferSupported)
//系统不支持就直接返回
return IOStatus.UNSUPPORTED;
FileDescriptor targetFD = null;
if (target instanceof FileChannelImpl) { //如果目标是fileChannel则走这里
if (!fileSupported)
return IOStatus.UNSUPPORTED_CASE;
targetFD = ((FileChannelImpl)target).fd;
} else if (target instanceof SelChImpl) {
//SocketChannel实现了SelChImpl接口，因此会走这里
if ((target instanceof SinkChannelImpl) && !pipeSupported)
return IOStatus.UNSUPPORTED_CASE;
//给targetFD赋值
targetFD = ((SelChImpl)target).getFD();
}
if (targetFD == null)
return IOStatus.UNSUPPORTED;
//将fileChannel和socketChannel对应的fd转换为具体的值
int thisFDVal = IOUtil.fdVal(fd);
int targetFDVal = IOUtil.fdVal(targetFD);
//不支持自己给自己传输
if (thisFDVal == targetFDVal)
return IOStatus.UNSUPPORTED;
long n = -1;
int ti = -1;
try {
begin();
ti = threads.add();
if (!isOpen())
return -1;
do {
//调用native方法transferTo0
n = transferTo0(thisFDVal, position, icount, targetFDVal);
} while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
if (n == IOStatus.UNSUPPORTED_CASE) {
if (target instanceof SinkChannelImpl)
pipeSupported = false;
if (target instanceof FileChannelImpl)
fileSupported = false;
return IOStatus.UNSUPPORTED_CASE;
}
if (n == IOStatus.UNSUPPORTED) {
// Don't bother trying again
transferSupported = false;
return IOStatus.UNSUPPORTED;
}
return IOStatus.normalize(n);
} finally {
threads.remove(ti);
end (n > -1);
}
}
代码有点长：
- 调用FileChannelImpl的transferTo，会尝试三种情况，如果系统支持零拷贝，则走 transferToDirectly
- transferToDirectly 方法前面做了各种判断，其实可以理解为直接调用了
n = transferTo0(thisFDVal, position, icount, targetFDVal);native方法
再来跟踪transferTo0：
// 以下内容来自于 jdk/src/solairs/native/sun/nio/ch/FileChannelImpl.c
JNIEXPORT jlong JNICALL
Java_sun_nio_ch_FileChannelImpl_transferTo0(JNIEnv *env, jobject this,
jint srcFD,
jlong position, jlong count,
jint dstFD)
{
#if defined(__linux__)
off64_t offset = (off64_t)position;
//直接调用sendfile
jlong n = sendfile64(dstFD, srcFD, &offset, (size_t)count);
if (n < 0) {
if (errno == EAGAIN)
return IOS_UNAVAILABLE;
if ((errno == EINVAL) && ((ssize_t)count >= 0))
return IOS_UNSUPPORTED_CASE;
if (errno == EINTR) {
return IOS_INTERRUPTED;
}
JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, "Transfer failed");
return IOS_THROWN;
}
return n;
}
这个方法里其实有linux、solaris、APPLE等多个平台的实现，这里只截取linux下的实现，可以看到是直接调用了系统函数sendfile来实现的数据发送，具体的拷贝次数则要看linux内核的版本了。
总结
- NIO读取文件并通过socket发送，最少拷贝几次？
直接调用channel.transferTo，同时linux内核版本大于等于2.4，则可以将拷贝次数降低到2次，并且CPU不参与拷贝。 - 堆外内存和所谓的零拷贝到底是什么关系
笔者理解网上说的零拷贝，可以理解为内核层面的零拷贝和java层面的零拷贝，所谓的0并不是一次拷贝都没有，而是在不同的场景下尽可能减少拷贝次数。
参考文章
Java 堆外内存、零拷贝、直接内存以及针对于NIO中的FileChannel的思考
JavaIO原理剖析之 网络IO