nio 零拷贝详解

传统 IO 问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

File f = new File("helloword/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);

内部工作流程是这样的:

nio 零拷贝详解_第1张图片

  1. java 本身并不具备 IO 读写能力,因此 read 方法调用后,要从 java 程序的用户态切换至内核态,去调用操作系统(Kernel)的读能力,将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞,操作系统使用 DMA(Direct Memory Access)来实现文件读,其间也不会使用 cpu

    DMA 也可以理解为硬件单元,用来解放 cpu 完成文件 IO

  2. 内核态切换回用户态,将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区(即 byte[] buf),这期间 cpu 会参与拷贝,无法利用 DMA

  3. 调用 write 方法,这时将数据从用户缓冲区(byte[] buf)写入 socket 缓冲区,cpu 会参与拷贝

  4. 接下来要向网卡写数据,这项能力 java 又不具备,因此又得从用户态切换至内核态,调用操作系统的写能力,使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡,不会使用 cpu

可以看到中间环节较多,java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写,而是缓存的复制,底层的真正读写是操作系统来完成的

  • 用户态与内核态的切换发生了 3 次,这个操作比较重量级
  • 数据拷贝了共 4 次
NIO 优化

通过 DirectByteBuf

  • ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存
  • ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存

nio 零拷贝详解_第2张图片

大部分步骤与优化前相同,不再赘述。唯有一点:java 可以使用 DirectByteBuf 将堆外内存映射到 jvm 内存中来直接访问使用

  • 这块内存不受 jvm 垃圾回收的影响,因此内存地址固定,有助于 IO 读写
  • java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用,内存回收分成两步
    • DirectByteBuf 对象被垃圾回收,将虚引用加入引用队列
    • 通过专门线程访问引用队列,根据虚引用释放堆外内存
  • 减少了一次数据拷贝,用户态与内核态的切换次数没有减少

进一步优化(底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法),java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

nio 零拷贝详解_第3张图片

  1. java 调用 transferTo 方法后,要从 java 程序的用户态切换至内核态,使用 DMA将数据读入内核缓冲区,不会使用 cpu
  2. 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区,cpu 会参与拷贝
  3. 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡,不会使用 cpu

可以看到

  • 只发生了一次用户态与内核态的切换
  • 数据拷贝了 3 次

进一步优化(linux 2.4)

nio 零拷贝详解_第4张图片

  1. java 调用 transferTo 方法后,要从 java 程序的用户态切换至内核态,使用 DMA将数据读入内核缓冲区,不会使用 cpu
  2. 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区,几乎无消耗
  3. 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡,不会使用 cpu

整个过程仅只发生了一次用户态与内核态的切换,数据拷贝了 2 次。所谓的【零拷贝】,并不是真正无拷贝,而是在不会拷贝重复数据到 jvm 内存中,零拷贝的优点有

  • 更少的用户态与内核态的切换
  • 不利用 cpu 计算,减少 cpu 缓存伪共享
  • 零拷贝适合小文件传输

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