從頭梳理一下 Java 面試中經(jīng)常問到的 “零拷貝” 問題！
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前言 I/O概念 1.緩沖區(qū) 2.虛擬內(nèi)存 3.mmap+write方式 4.sendfile方式 Java零拷貝 1.MappedByteBuffer 2.DirectByteBuffer 3.Channel-to-Channel傳輸 Netty零拷貝 其他零拷貝 總結(jié)
前言
從字面意思理解就是數(shù)據(jù)不需要來回的拷貝，大大提升了系統(tǒng)的性能；這個詞我們也經(jīng)常在java nio，netty，kafka，RocketMQ 等框架中聽到，經(jīng)常作為其提升性能的一大亮點；
下面從I/O的幾個概念開始，進(jìn)而在分析零拷貝。
I/O概念
1.緩沖區(qū)
緩沖區(qū)是所有I/O的基礎(chǔ)，I/O講的無非就是把數(shù)據(jù)移進(jìn)或移出緩沖區(qū)；進(jìn)程執(zhí)行I/O操作，就是向操作系統(tǒng)發(fā)出請求，讓它要么把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)排干(寫)，要么填充緩沖區(qū)(讀)；
下面看一個java進(jìn)程發(fā)起read請求加載數(shù)據(jù)大致的流程圖：
進(jìn)程發(fā)起read請求之后，內(nèi)核接收到read請求之后，會先檢查內(nèi)核空間中是否已經(jīng)存在進(jìn)程所需要的數(shù)據(jù)，如果已經(jīng)存在，則直接把數(shù)據(jù)copy給進(jìn)程的緩沖區(qū)；如果沒有內(nèi)核隨即向磁盤控制器發(fā)出命令，要求從磁盤讀取數(shù)據(jù)，磁盤控制器把數(shù)據(jù)直接寫入內(nèi)核read緩沖區(qū)，這一步通過DMA完成；
接下來就是內(nèi)核將數(shù)據(jù)copy到進(jìn)程的緩沖區(qū)；如果進(jìn)程發(fā)起write請求，同樣需要把用戶緩沖區(qū)里面的數(shù)據(jù)copy到內(nèi)核的socket緩沖區(qū)里面，然后再通過DMA把數(shù)據(jù)copy到網(wǎng)卡中，發(fā)送出去；
你可能覺得這樣挺浪費空間的，每次都需要把內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間中，所以零拷貝的出現(xiàn)就是為了解決這種問題的；
關(guān)于零拷貝提供了兩種方式分別是：mmap+write方式，sendfile方式；
2.虛擬內(nèi)存
所有現(xiàn)代操作系統(tǒng)都使用虛擬內(nèi)存，使用虛擬的地址取代物理地址，這樣做的好處是：
一個以上的虛擬地址可以指向同一個物理內(nèi)存地址
虛擬內(nèi)存空間可大于實際可用的物理地址；利用第一條特性可以把內(nèi)核空間地址和用戶空間的虛擬地址映射到同一個物理地址，這樣DMA就可以填充對內(nèi)核和用戶空間進(jìn)程同時可見的緩沖區(qū)了，大致如下圖所示：
省去了內(nèi)核與用戶空間的往來拷貝，java也利用操作系統(tǒng)的此特性來提升性能，下面重點看看java對零拷貝都有哪些支持。
3.mmap+write方式
使用mmap+write方式代替原來的read+write方式，mmap是一種內(nèi)存映射文件的方法，即將一個文件或者其它對象映射到進(jìn)程的地址空間，實現(xiàn)文件磁盤地址和進(jìn)程虛擬地址空間中一段虛擬地址的一一對映關(guān)系；
這樣就可以省掉原來內(nèi)核read緩沖區(qū)copy數(shù)據(jù)到用戶緩沖區(qū)，但是還是需要內(nèi)核read緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)copy到內(nèi)核socket緩沖區(qū)
大致如下圖所示：
4.sendfile方式
sendfile系統(tǒng)調(diào)用在內(nèi)核版本2.1中被引入，目的是簡化通過網(wǎng)絡(luò)在兩個通道之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸過程。
sendfile系統(tǒng)調(diào)用的引入，不僅減少了數(shù)據(jù)復(fù)制，還減少了上下文切換的次數(shù)，大致如下圖所示：
數(shù)據(jù)傳送只發(fā)生在內(nèi)核空間，所以減少了一次上下文切換；但是還是存在一次copy，能不能把這一次copy也省略掉，Linux2.4內(nèi)核中做了改進(jìn)，將Kernel buffer中對應(yīng)的數(shù)據(jù)描述信息（內(nèi)存地址，偏移量）記錄到相應(yīng)的socket緩沖區(qū)當(dāng)中，這樣連內(nèi)核空間中的一次cpu copy也省掉了；
Java零拷貝
1.MappedByteBuffer
java nio提供的FileChannel提供了map()方法，該方法可以在一個打開的文件和MappedByteBuffer之間建立一個虛擬內(nèi)存映射，MappedByteBuffer繼承于ByteBuffer，類似于一個基于內(nèi)存的緩沖區(qū)，只不過該對象的數(shù)據(jù)元素存儲在磁盤的一個文件中；
調(diào)用get()方法會從磁盤中獲取數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)反映該文件當(dāng)前的內(nèi)容，調(diào)用put()方法會更新磁盤上的文件，并且對文件做的修改對其他閱讀者也是可見的；
下面看一個簡單的讀取實例，然后在對MappedByteBuffer進(jìn)行分析：
publicclass MappedByteBufferTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
File file = new File("D://db.txt");
long len = file.length();
byte[] ds = newbyte[(int) len];
MappedByteBuffer mappedByteBuffer = new FileInputStream(file).getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0,
len);
for (int offset = 0; offset < len; offset++) {
byte b = mappedByteBuffer.get();
ds[offset] = b;
}
Scanner scan = new Scanner(new ByteArrayInputStream(ds)).useDelimiter(" ");
while (scan.hasNext()) {
System.out.print(scan.next() + " ");
}
}
}
主要通過FileChannel提供的map()來實現(xiàn)映射，map()方法如下：
public abstract MappedByteBuffer map(MapMode mode,
long position, long size)
throws IOException;
分別提供了三個參數(shù)，MapMode，Position和size；分別表示：
MapMode：映射的模式，可選項包括：READ_ONLY，READ_WRITE，PRIVATE；
Position：從哪個位置開始映射，字節(jié)數(shù)的位置；Size：從position開始向后多少個字節(jié)；
重點看一下MapMode，請兩個分別表示只讀和可讀可寫，當(dāng)然請求的映射模式受到Filechannel對象的訪問權(quán)限限制，如果在一個沒有讀權(quán)限的文件上啟用READ_ONLY，將拋出NonReadableChannelException；
PRIVATE模式表示寫時拷貝的映射，意味著通過put()方法所做的任何修改都會導(dǎo)致產(chǎn)生一個私有的數(shù)據(jù)拷貝并且該拷貝中的數(shù)據(jù)只有MappedByteBuffer實例可以看到；
該過程不會對底層文件做任何修改，而且一旦緩沖區(qū)被施以垃圾收集動作（garbage collected），那些修改都會丟失；
大致瀏覽一下map()方法的源碼：
public MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size)
throws IOException
{
...省略...
int pagePosition = (int)(position % allocationGranularity);
long mapPosition = position - pagePosition;
long mapSize = size + pagePosition;
try {
// If no exception was thrown from map0, the address is valid
addr = map0(imode, mapPosition, mapSize);
} catch (OutOfMemoryError x) {
// An OutOfMemoryError may indicate that we've exhausted memory
// so force gc and re-attempt map
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
thrownew IOException("Map failed", y);
}
}
// On Windows, and potentially other platforms, we need an open
// file descriptor for some mapping operations.
FileDescriptor mfd;
try {
mfd = nd.duplicateForMapping(fd);
} catch (IOException ioe) {
unmap0(addr, mapSize);
throw ioe;
}
assert (IOStatus.checkAll(addr));
assert (addr % allocationGranularity == 0);
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);
}
}
大致意思就是通過native方法獲取內(nèi)存映射的地址，如果失敗，手動gc再次映射；最后通過內(nèi)存映射的地址實例化出MappedByteBuffer，MappedByteBuffer本身是一個抽象類，其實這里真正實例話出來的是DirectByteBuffer；
2.DirectByteBuffer
DirectByteBuffer繼承于MappedByteBuffer，從名字就可以猜測出開辟了一段直接的內(nèi)存，并不會占用jvm的內(nèi)存空間；
上一節(jié)中通過Filechannel映射出的MappedByteBuffer其實際也是DirectByteBuffer，當(dāng)然除了這種方式，也可以手動開辟一段空間：
ByteBuffer directByteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(100);
如上開辟了100字節(jié)的直接內(nèi)存空間；
3.Channel-to-Channel傳輸
經(jīng)常需要從一個位置將文件傳輸?shù)搅硗庖粋€位置，F(xiàn)ileChannel提供了transferTo()方法用來提高傳輸?shù)男?/p>
首先看一個簡單的實例：
publicclass ChannelTransfer {
public static void main(String[] argv) throws Exception {
String files[]=new String[1];
files[0]="D://db.txt";
catFiles(Channels.newChannel(System.out), files);
}
private static void catFiles(WritableByteChannel target, String[] files)
throws Exception {
for (int i = 0; i < files.length; i++) {
FileInputStream fis = new FileInputStream(files[i]);
FileChannel channel = fis.getChannel();
channel.transferTo(0, channel.size(), target);
channel.close();
fis.close();
}
}
}
通過FileChannel的transferTo()方法將文件數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ystem.out通道，接口定義如下：
public abstract long transferTo(long position, long count,
WritableByteChannel target)
throws IOException;
幾個參數(shù)也比較好理解，分別是開始傳輸?shù)奈恢?，傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，以及目標(biāo)通道；transferTo()允許將一個通道交叉連接到另一個通道，而不需要一個中間緩沖區(qū)來傳遞數(shù)據(jù)；
注：這里不需要中間緩沖區(qū)有兩層意思：第一層不需要用戶空間緩沖區(qū)來拷貝內(nèi)核緩沖區(qū)，另外一層兩個通道都有自己的內(nèi)核緩沖區(qū)，兩個內(nèi)核緩沖區(qū)也可以做到無需拷貝數(shù)據(jù)；
Netty零拷貝
netty提供了零拷貝的buffer，在傳輸數(shù)據(jù)時，最終處理的數(shù)據(jù)會需要對單個傳輸?shù)膱笪?，進(jìn)行組合和拆分，Nio原生的ByteBuffer無法做到，netty通過提供的Composite(組合)和Slice(拆分)兩種buffer來實現(xiàn)零拷貝
看下面一張圖會比較清晰：
TCP層HTTP報文被分成了兩個ChannelBuffer，這兩個Buffer對我們上層的邏輯(HTTP處理)是沒有意義的。但是兩個ChannelBuffer被組合起來，就成為了一個有意義的HTTP報文
這個報文對應(yīng)的ChannelBuffer，才是能稱之為”Message”的東西，這里用到了一個詞”Virtual Buffer”。
可以看一下netty提供的CompositeChannelBuffer源碼：
publicclass CompositeChannelBuffer extends AbstractChannelBuffer {
privatefinal ByteOrder order;
private ChannelBuffer[] components;
privateint[] indices;
privateint lastAccessedComponentId;
privatefinalboolean gathering;
public byte getByte(int index) {
int componentId = componentId(index);
return components[componentId].getByte(index - indices[componentId]);
}
...省略...
components用來保存的就是所有接收到的buffer，indices記錄每個buffer的起始位置，lastAccessedComponentId記錄上一次訪問的ComponentId；
CompositeChannelBuffer并不會開辟新的內(nèi)存并直接復(fù)制所有ChannelBuffer內(nèi)容，而是直接保存了所有ChannelBuffer的引用，并在子ChannelBuffer里進(jìn)行讀寫，實現(xiàn)了零拷貝。
其他零拷貝
RocketMQ的消息采用順序?qū)懙絚ommitlog文件，然后利用consume queue文件作為索引；RocketMQ采用零拷貝mmap+write的方式來回應(yīng)Consumer的請求；
同樣kafka中存在大量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)持久化到磁盤和磁盤文件通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的過程，kafka使用了sendfile零拷貝方式；
總結(jié)
零拷貝如果簡單用java里面對象的概念來理解的話，其實就是使用的都是對象的引用，每個引用對象的地方對其改變就都能改變此對象，永遠(yuǎn)只存在一份對象。
End
作者：ksfzhaohui
來源：
juejin.im/post/5cad6f1ef265da039f0ef5df
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