前言
前面已经学习了NIO的基本思想和三大组件：Buffer、Channel、Selector，接下来学习一种性能优化：零拷贝
目录
传统IO经历的拷贝
通过流一次read、write拷贝文件
需要经过四次上下文切换和四次拷贝（两次DMA拷贝，两次CPU拷贝）
具体步骤：
- 程序调用read（）方法，系统从用户态（User Context）切换到内核态（kernel Context），磁盘（hard driver）数据通过DMA copy（第一次拷贝）到内核缓冲区（Kernel buffer）。DAM拷贝是DMA处理器直接将硬盘数据通过总线传输到内存，不需要经过CPU
- 系统有内核态切换到用户态（第二次上下文切换），将内核缓冲区的数据CPU copy（第二次拷贝）到用户缓冲区
- 程序调用write（）方法，系统从用户态切换到内核态（第三次上下文切换），将用户缓冲区的数据CPU copy（第三次拷贝）到网络缓冲区（Socket buffer）
- 系统从内核态切换到用户态（第四次上下文切换），网络缓冲区的数据通过DMA copy（第四次拷贝）传输到网卡的驱动(存储缓冲区Protocol engine)中
关于这些操作系统的名词这个解释：用户空间与内核空间，进程上下文与中断上下文[总结]
传统IO传输文件中四次上下文切换，四次拷贝需要很大的开销
四次拷贝中两次DMA拷贝不可避免，一般说的零拷贝是指仅两次DMA拷贝
传统IO发送文件
服务器：
package com.company.ZeroCopy;
import java.io.DataInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class OldSever {
public static void main(String[] args) {
ServerSocket serverSocket = null;
try {
serverSocket = new ServerSocket();
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(9999));
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept();
DataInputStream inputStream = new DataInputStream(socket.getInputStream());
byte[] bytes=new byte[4096];
while (true){
int read = inputStream.read(bytes, 0, bytes.length);
if(read == -1){
break;
}
}
}
} catch (IOException e) {
}
}
}
客户端：
package com.company.ZeroCopy;
import java.io.*;
import java.net.Socket;
public class OldClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Socket socket = new Socket("127.0.0.1",9999);
//获得文件
InputStream inputStream=new FileInputStream("redis.zip");
//网络传输
DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
byte[] bytes=new byte[4096];
long readByte;
long total=0;
long start = System.currentTimeMillis();
while ((readByte = inputStream.read(bytes)) >= 0){
total += readByte;
dataOutputStream.write(bytes);
}
System.out.println("发送总字节数："+total+", 耗时："+(System.currentTimeMillis()-start)+" ms");
dataOutputStream.close();
inputStream.close();
socket.close();
}
}
传输一个1.23M的文件需要12ms
优化
MMAP优化
MMAP通过内存映射的方式，使用户缓冲区和内核读缓冲区的内存地址为同一内存地址，即用户空间共享内核空间的数据，进行网络传输时可以减少一次CPU copy
sendFile优化
Linux2.1提供的sendFile函数：
数据不经过用户空间，直接从内核缓冲区进入Socket buffer，然后继续DMA copy
sendFile方法仅两次上下文切换和一次CPU copy
Linux2.4版本，再次进行了修改，避免了从内核缓冲区到Socket Buffer的CPU copy（仅拷贝一些说明信息），直接通过DMA copy将内核缓冲区的数据拷贝到存储缓冲区
这样几乎就是零拷贝了（0次CPU拷贝）
NIO中的实现
通过文件通道的transferTo可以实现零拷贝（transferFrom也是）
客户端：
package com.company.ZeroCopy;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class ZeroCopyClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost",9999));
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("redis.zip");
FileChannel channel = fileInputStream.getChannel();
ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(4096);
long start=System.currentTimeMillis();
//transferTo在Windows下一次只能发送8M的数据
//在Linux下可以全部发送
long fileSize = channel.transferTo(0, channel.size(), socketChannel);
System.out.println("发送总字节数："+fileSize+" ,耗时："+(System.currentTimeMillis()-start)+" ms");
//仅查看拷贝时间，不真正的发送
channel.close();
socketChannel.close();
}
}
服务器：
package com.company.ZeroCopy;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class ZeroCopyServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);
while (true) {
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
int read = 0;
while (read != -1){
read = socketChannel.read(byteBuffer);
//循环读入，需要rewind缓冲区
byteBuffer.rewind();
}
}
}
}
实验结果：时间有了明显的减少
总结
- 传统IO传输文件仅在客户端发送需要四次上下文切换，四次拷贝（两次CPU拷贝，两次DMA拷贝）
- 零拷贝说的是0次CPU拷贝，DMA拷贝无法避免
- MMAP通过文件映射，使用户空间可以共享内核空间数据，减少了一次CPU拷贝，该种方法仅适用传输小文件
- sendFile最初是不经过用户空间，直接从内核空间CPU copy到Socket Buffer，减少了一次上下文切换，还存在一次CPU拷贝
- senFile在Linux2.4再次修改，可以直接从内核空间拷贝到存储缓冲区（仅CPU拷贝一些说明信息到Socket Buffer），近乎是零拷贝
