面試官：談談你對零拷貝的理解~

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，I/O講的無非就是把數(shù)據(jù)移進或移出緩沖區(qū)；進程執(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進程發(fā)起read請求加載數(shù)據(jù)大致的流程圖：

進程發(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到進程的緩沖區(qū)；

如果進程發(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：

1. 一個以上的虛擬地址可以指向同一個物理內(nèi)存地址，

2. 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程的地址空間，實現(xiàn)文件磁盤地址和進程虛擬地址空間中一段虛擬地址的一一對映關系；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)絡在兩個通道之間進行的數(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，將Kernel buffer中對應的數(shù)據(jù)描述信息（內(nèi)存地址，偏移量）記錄到相應的socket緩沖區(qū)當中，這樣連內(nèi)核空間中的一次cpu copy也省掉了；推薦：250期面試題匯總

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進行分析：

public class MappedByteBufferTest {  
  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        File file = new File("D://db.txt");  
        long len = file.length();  
        byte[] ds = new byte[(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，當然請求的映射模式受到Filechannel對象的訪問權限限制，如果在一個沒有讀權限的文件上啟用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  
                    throw new 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；推薦：250期面試題匯總

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?，首先看一個簡單的實例：

public class 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)膱笪模M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：

public class CompositeChannelBuffer extends AbstractChannelBuffer {  
  
    private final ByteOrder order;  
    private ChannelBuffer[] components;  
    private int[] indices;  
    private int lastAccessedComponentId;  
    private final boolean 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Consumer的請求；

同樣kafka中存在大量的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)持久化到磁盤和磁盤文件通過網(wǎng)絡發(fā)送的過程，kafka使用了sendfile零拷貝方式；

總結

零拷貝如果簡單用java里面對象的概率來理解的話，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，永遠只存在一份對象。

參考

《java_nio》

作者：kosamino

juejin.cn/post/6844903815913668615