一提到零拷贝，大部分都是涉及网络编程中，对代码的性能优化，一直存在操作系统层面。
WIKI对零拷贝的定义如下:
"Zero-copy" describes computer operations in which the CPU does not perform the task of copying data from one memory area to another.
我们看到“零拷贝”是指计算机操作的过程中，CPU不需要为数据在内存之间的拷贝消耗资源。而它通常是指计算机在网络上发送文件时，不需要将文件内容拷贝到用户空间（User Space）而直接在内核空间（Kernel Space）中传输到网络的方式。
- 小时候， 我们自己在写代码时，经常会写这样的代码:
File file = new File("filepath/a.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);
当我们需要向 用户返回他需要的信息时，从服务器硬盘读取文件到byte[]中，然后经过server端代码疯狂的操作，最后把一些byte[] 写入到Socker缓冲区。
不过这中间可是发生了很多操作。
图中，上半部分表示用户态和内核态的上下文切换。下半部分表示数据复制操作。下面说说他们的步骤：
-
read 调用导致用户态到内核态的一次变化，同时，第一次复制开始：DMA（Direct Memory Access，直接内存存取，即不使用 CPU 拷贝数据到内存，而是 DMA 引擎传输数据到内存，用于解放 CPU） 引擎从磁盘读取 a.txt 文件，并将数据放入到内核缓冲区。
-
发生第二次数据拷贝，即：将内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区，同时，发生了一次用内核态到用户态的上下文切换。
-
发生第三次数据拷贝，我们调用 write 方法，系统将用户缓冲区的数据拷贝到 Socket 缓冲区。此时，又发生了一次用户态到内核态的上下文切换。
-
第四次拷贝，数据异步的从 Socket 缓冲区，使用 DMA 引擎拷贝到网络协议引擎。这一段，不需要进行上下文切换。
-
write 方法返回，再次从内核态切换到用户态。
产生了四次数据拷贝，三次状态切换。
那么零拷贝这时候，就出现了，在这里如何优化这些繁琐而又看似正常的网络IO操作呢？
mmap
mmap系统调用，通过内存映射，可以把文件映射到内存缓冲区，也就我们在操作系统课程中学习到的pageCache, pageCache是堆外内存，不受JVM的管控。多个进程可以共享内存缓冲区。
从图中，可以看到原来需要从内核缓冲区拷贝到 用户进程的数据，可以通过内存映射的方式，在用户空间直接操作缓冲区的数据，把他们直接拷贝到socker缓冲区，减少了一次数据拷贝操作，但是状态切换依然是 read, write之间进行了三次。
光知道概念是不行滴，对应的Java代码长啥样子呢?
基于mmap系统调用的零拷贝，基本都是mmp + write组合而成的，write没啥讲的，就是在代码中操作内存映射区写入到Socker Buffer中，或者是NIO中的SockerChannel中。
那么如何映射本地文件到内存映射区中呢？ 答案是 MappedByteBuffer
下面是使用MappedByteBuffer的一个小例子：把文件映射到内存缓冲区中之后，再读取之…
public class MappedByteBufferTest {
public static void main(String[] args) {
File file = new File("/Users/sailongren/myblog/a.txt");
long len = file.length();
System.out.println(len);
byte[] ds = new byte[(int) len];
try {
MappedByteBuffer mappedByteBuffer = new RandomAccessFile(file, "r")
.getChannel()
.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, len);
for (int offset = 0; offset < len; offset++) {
byte b = mappedByteBuffer.get();
ds[offset] = b;
}
String string = new String(ds);
System.out.println(string);
} catch (IOException e) {
}
}
}
其中的RandomFileChannel.getChannel()代码
public final FileChannel getChannel() {
synchronized (this) {
if (channel == null) {
channel = FileChannelImpl.open(fd, path, true, rw, this);
}
return channel;
}
}
比较重要是哪个map()方法，
public MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size) throws IOException {
从方法签名上也可以看出来这个函数就是做 映射 之用的。
- MapMode mode：内存映像文件访问的方式，共三种：
- MapMode.READ_ONLY：只读，试图修改得到的缓冲区将导致抛出异常。
- MapMode.READ_WRITE：读/写，对得到的缓冲区的更改最终将写入文件；但该更改对映 射到同一文件的其他程序不一定是可见的。
- MapMode.PRIVATE：私用，可读可写,但是修改的内容不会写入文件，相当于 "copy on write "
- position：文件映射时的起始位置
- size 需要映射的文件大小.
**只保留了核心代码**
public MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size) throws IOException {
int pagePosition = (int)(position % allocationGranularity);
long mapPosition = position - pagePosition;
long mapSize = size + pagePosition;
try {
addr = map0(imode, mapPosition, mapSize);
} catch (OutOfMemoryError x) {
System.gc();
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException y) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
try {
addr = map0(imode, mapPosition, mapSize);
} catch (OutOfMemoryError y) {
// After a second OOME, fail
throw new IOException("Map failed", y);
}
}
int isize = (int)size;
Unmapper um = new Unmapper(addr, mapSize, isize, mfd);
if ((!writable) || (imode == MAP_RO)) {
return Util.newMappedByteBufferR(isize,
addr + pagePosition,
mfd,
um);
} else {
return Util.newMappedByteBuffer(isize,
addr + pagePosition,
mfd,
um);
}
}
这是狼哥的代码，??
- 如果第一次文件映射导致OOM，则手动触发垃圾回收，休眠100ms后再次尝试映射，如果失败，则抛出异常。
- 通过newMappedByteBuffer方法初始化MappedByteBuffer实例，不过其最终返回的是DirectByteBuffer的实例
然后就可以使用MappedByteBuffer来直接访问映射区。
public byte get() {
return ((unsafe.getByte(ix(nextGetIndex()))));
}
从这里可以看出，MappedByteBuffer通过UnSafe来访问直接。(unSafe中的native方法，都是使用address + offset来访问内存)
总结下就是: map0()函数返回一个地址address，这样就无需调用read或write方法对文件进行读写，通过address就能够操作文件。底层采用unsafe.getByte方法，通过（address + 偏移量）获取指定内存的数据。
当我们第一次访问address所指向的内存区域，导致缺页中断，中断响应函数会在交换区中查找相对应的页面，如果找不到（也就是该文件从来没有被读入内存的情况），则从硬盘上将文件指定页读取到物理内存中（非jvm堆内存）。
如果在拷贝数据时，发现物理内存不够用，则会通过虚拟内存机制（swap）将暂时不用的物理页面交换到硬盘的虚拟内存中。
sendFile
sendFile是Linux提供的另一个系统调用，
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 Socket Buffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换。
参考:
占小狼的博客
莫娜-鲁道博客
[Netty权威指南]
Efficient data transfer through zero copy
