Netty—— 概念剖析（零拷贝）

一、传统 IO 问题

1.1、传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

• 主要代码部分

  File f = new File("D:\\data.txt");
  RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");
  
  byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
  file.read(buf);
  
  Socket socket = ...;
  socket.getOutputStream().write(buf);
  

1.2、传统 IO的内部工作流程图解

• 内部工作流程图解

  

1.3、传统 IO的内部工作流程概述

• java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 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）（DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO）来实现文件读，其间也不会使用 cpu。
• 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。
• 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。
• 接下来要向网卡写数据，这项能力 java 又不具备，因此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。

1.4、传统 IO的问题

• 从上述工程流程概述中可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的：
• 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级。
• 数据拷贝了共 4 次。

二、NIO 优化传统 IO

2.1、通过 DirectByteBuffer 优化传统 IO

• ByteBuffer.allocate(10) 返回值HeapByteBuffer， 使用的还是 java 内存。
• ByteBuffer.allocate(10) 返回值HeapByteBuffer， 使用的是操作系统内存。

2.2、NIO 优化的内部工作流程图解

2.3、NIO 优化的内部工作流程概述

• 大部分步骤与1.3小节相同，不再赘述。唯有优点：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 DirectByteBuffer 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步:
  (1)、DirectByteBuffer 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列;
  (2)、通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存。

2.4、NIO 优化的内部工作流程总结

• 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

三、进一步优化（底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法）

3.1、通过 transferTo/transferFrom优化

• java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据。

3.2、优化的内部工作流程图解

• 内部工作流程图解

  

3.3、优化的内部工作流程概述

• 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。
• 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝。
• 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu。

3.4、优化的内部工作流程总结

• 只发生了一次用户态与内核态的切换。
• 数据拷贝了 3 次。

四、进一步优化（底层采用了 linux 2.4）

4.1、优化的内部工作流程图解

• 内部工作流程图解
  

4.2、优化的内部工作流程概述

• 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。
• 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗。
• 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu。

4.3、优化的内部工作流程总结

• 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。

五、零拷贝的优点

• 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。