1、从I / O开始说起

我个人理解的IO就是计算机和磁盘、网卡等设备进行交互、信息传输的过程。
从计算机结构的视角来看的话， I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。
从应用程序方面来看，I/O涉及了用户态和内核态
像我们平常运行的应用程序都是运行在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，比如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说，我们想要进行 IO 操作，一定是要依赖内核空间的能力。
用户空间的程序不能直接访问内核空间。
因此，用户进程想要执行 IO 操作的话，必须通过 系统调用 来间接访问内核空间
这里就出现了以下的拷贝

当用户发起I/O请求，会发生如下动作：

1. 用户请求读取数据
2. read 方法调用后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 cpu
3. 从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte[] buf），这期间 cpu 会参与拷贝，无法利用 DMA
4. 调用write()方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝
5. 向网卡写数据，又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu

可以看到，用户态与内核态的切换发生了 3 次，数据交换了四次。

2、IO模型

2.1 分类

在广义上，IO模型分为五类，分别是：阻塞IO，非阻塞IO，多路复用IO，信号驱动IO，异步IO

2.2 关于阻塞非阻塞、同步和异步

以Java的NIO为例，当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：

• 等待数据阶段
• 复制数据阶段

对于阻塞而言，如果没有read到数据，就一直等到这里，这就是阻塞的
如果没有read到数据，但是程序可以返回，就是非阻塞的

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，一直处于等待消息通知，不能够执行其他业务。函数只有在得到结果之后才会返回

而对于同步来说，发出read后，当有数据了，我再去复制数据
但是异步来说，我发出了read，有其他的线程得到数据，并别将数据返回给发出read的线程，发出read的线程只需要接收就可以了，不用管等待和发出数据，这就是异步
异步的概念和同步相对。当一个同步调用发出后，调用者要一直等待返回消息（结果）通知后，才能进行后续的执行；当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到返回消息（结果）。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者

2.3 关于这五个IO模型的图式

阻塞IO

从发出read请求后，直到数据读到用户线程，在这个过程中，用户线程一直处于阻塞状态

非阻塞IO

• 用户线程在一个循环中一直调用read方法，若内核空间中还没有数据可读，立即返回
  只是在等待阶段非阻塞
• 用户线程发现内核空间中有数据后，等待内核空间执行复制数据，待复制结束后返回结果

多路复用

Java用selector监听事件，当有有事件发生时，select从阻塞状态返回，接着处理发生的多个事件

异步 IO

发出read请求，用户线程继续执行，当复制数据的步骤完成，线程2将数据带回给用户线程。

阻塞 IO vs 多路复用

• 阻塞IO模式下，若线程因accept事件被阻塞，发生read事件后，仍需等待accept事件执行完成后，才能去处理read事件
• 多路复用模式下，一个事件发生后，若另一个事件处于阻塞状态，不会影响该事件的执行

3、零拷贝

零拷贝指的是数据无需拷贝到 JVM 内存中，同时具有以下三个优点

• 更少的用户态与内核态的切换
• 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
• 零拷贝适合小文件传输

3.1 传统IO问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

File f = new File("data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);
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内部工作流程是这样的：

就如 上面说的一样：
内核态和用户态直接出现了三次切换，被数据拷贝了四次

3.2 NIO优化

通过 DirectByteBuf

• ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存
• ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存
  
  大部分步骤与优化前相同，唯有一点：Java 可以使用 DirectByteBuffer 将堆外内存映射到 JVM 内存中来直接访问使用：
• 这块内存不受 jvm 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
• java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
  • DirectByteBuf 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
  • 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

3.3 进一步优化

进一步优化（底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法），java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

1. java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu
2. 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝
3. 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu

可以看到

• 只发生了一次用户态与内核态的切换
• 数据拷贝了 3 次

3.4 零拷贝

1. java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu
2. 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
3. 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu

整个过程仅只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有

• 更少的用户态与内核态的切换
• 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
• 零拷贝适合小文件传输