NIO与零拷贝

零拷贝基本介绍

零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开。

所谓零拷贝不是不拷贝，而是没有CPU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的设计?我们分析 mmap 和 sendFile 这两个零拷贝

Java 传统 IO 和网络编程的一段代码

传统 IO 模型

DMA: direct memory access 直接内存拷贝(不使用 CPU)

传统IO经过了4次拷贝，4次切换。

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，在进行网络传输时，就可以减少内核空间到用户空间的拷贝次数。如下图

mmap优化后3次拷贝，4次切换。

sendFile优化

Linux 2.1 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

此时的拷贝次数为3.切换次数为3。但是还是存在cpy拷贝。

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。具体如下图和小结:

3次切换，2次拷贝。

这里其实有一次cpu拷贝kernel buffer -> socket buffer。但是，拷贝的信息很少，比如 lenght , offset , 消耗低，可以忽略。

我们说零拷贝，是从操作系统的角度来说的。因为内核缓冲区之间，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 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。
mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝;sendFile 需要 3 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零拷贝案例

NIO通过transferTo() 方法和transferFrom()方法实现零拷贝

传统IO

//java IO 的服务器
public class OldIOServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        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 ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

public class OldIOClient {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Socket socket = new Socket("localhost", 7001);

        String fileName = "protoc-3.6.1-win32.zip";
        InputStream inputStream = new FileInputStream(fileName);

        DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());

        byte[] buffer = new byte[4096];
        long readCount;
        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();
    }
}

NIO零拷贝

//服务器
public class NewIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(7001);

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();

        serverSocket.bind(address);

        //创建buffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);

        while (true) {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

            int readcount = 0;
            while (-1 != readcount) {
                try {

                    readcount = socketChannel.read(byteBuffer);

                }catch (Exception ex) {
                   // ex.printStackTrace();
                    break;
                }
                //
                byteBuffer.rewind(); //倒带 position = 0 mark 作废
            }
        }
    }
}

public class NewIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7001));
        String filename = "protoc-3.6.1-win32.zip";

        //得到一个文件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, 而且要主要
        //传输时的位置 =》 课后思考...
        //transferTo 底层使用到零拷贝
        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));

        //关闭
        fileChannel.close();

    }
}