Java零拷贝（一）：从硬件到内核再到源码分析

（笔记整理自b站小刘说源码课程）

一、DMA

在没有DMA时：CPA首先将内存数据读到缓存，再写到网卡。这样做会降低CPU的速度至网卡层面。

当出现DMA时：首先进行一次CPU复制，将内存数据读到socket内核缓冲区，此时CPU不参与后面的工作，转由DMA接管。DMA读取socket缓冲区的内容，然后将其写入网卡中。

DMA完成手头工作后，DMA中断CPU，此时CPU得知socket空出来了。CPU从用户态切换到内核态，执行中断处理程序，将socket缓冲区阻塞的进程移回到运行队列。

二、系统调用和虚拟内存

系统调用：用户读取硬盘上的文件，发起read调用，read是内核态的库函数api，该库函数会发起系统调用。该库函数里有80中断、软中断、进程切换到内核态。到CPU里存一个系统调用号（表示哪个系统函数，比如read）。把CPU的临时数据都保存到thread_info中（恢复到用户态时使用，包含PC、寄存器、用户程序基地址、CPU cache等），然后执行int 80中断处理程序，搜索到之前存的系统调用号，这里是read，首先检查缓存中有没有对应的数据，没有就去磁盘中加载到内核缓冲区，然后从内核缓冲区拷贝到用户空间，随后恢复到用户态，根据thread_info，用户可以知道从哪继续执行。

缓冲区读写：

读：首先用户态切换到内核态，先判断内核态缓冲区是否有，有的话直接读取，否则交由DMA处理。DMA从外设读，这个过程中CPU可以执行其他进程。DMA将数据加载到内核缓冲区后告诉CPU,CPU把数据拷贝到用户态，将此进程从阻塞队列移到运行队列。

写：缓存区满了之后，写操作产生阻塞。缓冲区有一个等待队列，记录阻塞的进程（java的轻量级进程），DMA将缓存区数据写到网卡后通知CPU，CPU中断，将该进程移动到运行队列。

物理内存：类似于大的数组，可以随机读取。

虚拟内存：早期单核计算机只需要保证数据不写入内核空间即可。多核计算机引入多线程后，每个进程有自己的用户空间，得防止不能访问其他进程空间，所以引入了虚拟内存。进程分配了虚拟内存，CPU的MMU单元可以辅助完成虚拟内存到物理内存的映射。虚拟内存可以大于真实物理内存，MMU可以把不常用的东西从物理内存放到磁盘（SWAP区）。因为可以替换，所以不同进程的虚拟内存空间的地址可以映射到同一个物理内存，利用这个特性，可以把用户空间和内核空间的地址翻译为同一块的物理内存地址，就可以减少拷贝，通常称为零拷贝。

三、IO方式

传统IO：从硬盘读到网卡。进程去读，首先看内核缓冲区是否存在，不存在则告诉DMA去读内核缓冲区，然后把进程放到内核的阻塞队列中，DMA读好后发起中断通知CPU，CPU唤醒阻塞进程，从内核缓冲区读到数据缓冲区，然后再切换到内核态进行写操作，写到socket缓冲区后，告诉DMA把socket缓冲区的数据写到网卡。复制了4次，进程切换了4次。

MMAP：DMA把磁盘上的文件映射到内存，用户空间和内核空间共享同一块物理地址，这样就无需进程用户空间和内核空间的来回复制。 写到网卡的时候，共享空间的内容拷贝到socket缓冲区（CPU复制），然后通知DMA发送到网卡。3次复制，两次DMA，一次CPU。

sendfile：打开文件的fd和传输的socket的fd告诉sendfile，也是和上述一样的3次复制，不过只进行了2次用户态和内核态的切换。

NIO：BUFFER数组，NIO把byte数组的位置和长度发给内核态，内核空间可以访问用户空间，称为跨传输。假设发生了FULL GC，stop the world，线程停止，回收垃圾对象，会进行碎片整理，位置可能改变。NIO选择在堆外创建一个同样大小的buffer，先从用户空间拷贝到堆外空间（CPU拷贝），再发送write系统调用，此时发送堆外的位置和长度，然后再拷贝到内核缓冲区。堆外是不发生GC的。使用NIO时可以直接将buffer拷贝到堆外，可以避免一些拷贝过程。