05_Netty_NIO与零拷贝

基本介绍

所谓零拷贝，不是不拷贝，而是没有CPU 拷贝；

零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开零拷贝；
在Java程序中，常用的零拷贝有mmap（内存映射）和sendFile。那么，他们在OS里，到底是怎么样的一个设计？我们分析mmap和sendFile这两个零拷贝；
NIO中又是如何使用零拷贝；

传统IO数据读写

Java传统IO和网络编程的一段代码：

File file = new File("test.txt");
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file,"rw");
byte[] arr = new byte[(int)file.length()];
raf.read(arr);
Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
socket.getOutputStream().write(arr);

传统IO

DMA copy：direct memory access，直接内存拷贝，不使用CPU

经过四次拷贝，三次切换

四次拷贝：

从硬盘经过DMA拷贝到kernel buffer（内核buffer）
从kernel buffer经过cpu拷贝到user buffer，比如拷贝到应用程序
从user buffer拷贝到socket buffer
从socket buffer拷贝到protocol engine（协议栈）

三次状态切换：

用户态->内核状【用户上下文->内核上下文】
内核状->用户状
用户状->内核状

mmap优化

mmap通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网络传输的时候，就可以减少内核空间到用户空间的拷贝次数；

mmap优化

拷贝次数减少为三次，但是状态的切换还是三次；

三次拷贝：

DMA拷贝，从硬件拷贝到内核空间
- 因为user buffer和kernel buffer共享数据，所以不需要把数据从kernel buffer拷贝到user buffer，数据可以直接在内核空间修改；
kernel buffer中的数据经过cpu拷贝到socket buffer
socket buffer经过DMA拷贝到protocol engine

sendFile优化

Linux 2.1版本

Linux2.1版本提供了sendFile函数，其基本原理如下：

数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到SocketBuffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换；

Linux2.1SendFile优化

还是三次拷贝，但是减少为两次切换

三次拷贝：

从硬件DMA拷贝到kernel buffer
kernel buffer又经过CPU 拷贝到socket buffer
socket buffer通过DMA拷贝到protocol engine

Linux 2.4版本

Linux在2.4版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到socket buffer的操作，直接拷贝到协议栈，从而再一次减少了数据拷贝；

Linux2.4SendFile优化

两次拷贝：

DMA拷贝，将数据从硬件拷贝到kernel buffer
DMA拷贝，将数据从kernel buffer拷贝到protocol engine

没有经过cpu拷贝，也就是操作系统级别的拷贝，实现了真正的零拷贝；

注意：sendFile技术还是有少量的数据使用了cpu拷贝，如数据的大小(length)、偏移量(offset)等，从kernel buffer拷贝到socket buffer，但是数据量很少，消耗低，可以忽略不计；

零拷贝的再次理解

我们所说的零拷贝，是从操作系统的角度来说的。因为内核缓冲之间，没有数据是重复的（只有kernel buffer有一份数据）；
零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的CPU缓存伪共享以及无CPU校验和计算；

mmap和sendFile的区别

mmap适合小数据量的读写，sendFile适合大文件传输；
mmap需要3次上下文切换，3次数据拷贝；
sendFile需要2次上下文切换，最少2次数据拷贝；
sendFile可以利用DMA方式，减少CPU拷贝，mmap则不能（必须从内核拷贝到Socket缓冲区）；

NIO 零拷贝实例

案例要求：

使用传统的IO方法传递一个大文件；
使用NIO零拷贝的方式传递（transferTo）一个大文件；
看看两个传递方式耗费时间分别是多少；

传统的零拷贝

服务器端：

public class OldIOServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7001);
        while (true){
            Socket socket = serverSocket.accept();
            DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(socket.getInputStream());
            try{
                byte[] byteArray = new byte[4096];
                while (true){
                    int readCount = dataInputStream.read(byteArray, 0, byteArray.length);
                    if(-1==readCount){
                        break;
                    }
                }
            } catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

客户端：

public class OldIOClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("localhost", 7001);
        String fileName = "Xxx.zip";
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(fileName);
        DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
        byte[] buffer = new byte[4096];
        long readCount = 0;
        long total = 0;
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        while ((readCount = inputStream.read(buffer))>=0){
            total += readCount;
            dataOutputStream.write(buffer);
        }
        System.out.println("发送总字节数："+total+"，耗时："+(System.currentTimeMillis()-startTime));
        dataOutputStream.close();
        socket.close();
        inputStream.close();
    }

}

transferTo零拷贝

服务器端：

public class NewIOServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7001);
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        serverSocket.bind(inetSocketAddress);
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);
        while (true){
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            int readCount = 0;
            while (-1!=readCount){
                readCount = socketChannel.read(byteBuffer);
            }
            // byteBuffer倒带，position=0，mark作废
            byteBuffer.rewind();
        }
    }

}

客户端：

public class NewIOClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost",7001));
        String fileName = "Xxx.zip";
        // 得到一个文件的Channel
        FileChannel fileChannel = new FileInputStream(fileName).getChannel();
        // 准备发送
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        // 在Linux下一个transferTo方法就可以完成传输
        // 在windows下一次调用transferTo只能发送8m，就需要分段传输文件，而且要注意传输时的位置
        // transferTo底层就使用了零拷贝
        long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);
        System.out.println("发送的总的字节数："+transferCount+"耗时："+(System.currentTimeMillis()-startTime));
        fileChannel.close();
        socketChannel.close();
    }

}

目录CONTENT

05_Netty_NIO与零拷贝

05_Netty_NIO与零拷贝

基本介绍

传统IO数据读写

mmap优化

sendFile优化

Linux 2.1版本

Linux 2.4版本

零拷贝的再次理解

mmap和sendFile的区别

NIO 零拷贝实例

传统的零拷贝

transferTo零拷贝

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