（七）Netty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
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，到底是怎么样一个涉及？我们分析mmap和sendFile这两个两拷贝
另外我们看下NIO中如何使用零拷贝

传统IO数据读写

Java传统IO和网络编程的一段代码

 File file = new File("index.html");RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");byte[] arr = new byte[(int) file.length()];raf.read(arr);Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();socket.getOutputStream().write(arr);

我们会调用 read 方法读取 index.html 的内容—— 变成字节数组，然后调用 write 方法，将 index.html 字节流写到 socket 中，那么，我们调用这两个方法，在 OS 底层发生了什么呢？我这里借鉴了一张其他文章的图片，尝试解释这个过程。

上图中，上半部分表示用户态和内核态的上下文切换。下半部分表示数据复制操作。下面说说他们的步骤：

read 调用导致用户态到内核态的一次变化，同时，第一次复制开始：DMA（Direct Memory Access，直接内存存取，即不使用 CPU 拷贝数据到内存，而是 DMA 引擎传输数据到内存，用于解放 CPU）引擎从磁盘读取 index.html 文件，并将数据放入到内核缓冲区。
发生第二次数据拷贝，即：将内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区，同时，发生了一次用内核态到用户态的上下文切换。
发生第三次数据拷贝，我们调用 write 方法，系统将用户缓冲区的数据拷贝到 Socket 缓冲区。此时，又发生了一次用户态到内核态的上下文切换。
第四次拷贝，数据异步的从 Socket 缓冲区，使用 DMA 引擎拷贝到网络协议引擎。这一段，不需要进行上下文切换。
write 方法返回，再次从内核态切换到用户态。

如你所见，复制拷贝操作太多了。如何优化这些流程？

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：

如上图，user buffer 和 kernel buffer 共享 index.html。如果你想把硬盘的 index.html 传输到网络中，再也不用拷贝到用户空间，再从用户空间拷贝到 Socket 缓冲区。

现在，你只需要从内核缓冲区拷贝到 Socket 缓冲区即可，这将减少一次内存拷贝（从 4 次变成了 3 次），但不减少上下文切换次数。

sendFile

那么，我们还能继续优化吗？ 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。

如上图，我们进行 sendFile 系统调用时，数据被 DMA 引擎从文件复制到内核缓冲区，然后调用 write 方法时，从内核缓冲区进入到 Socket，这时，是没有上下文切换的，因为都在内核空间。

最后，数据从 Socket 缓冲区进入到协议栈。此时，数据经过了 3 次拷贝，3 次上下文切换。那么，还能不能再继续优化呢？例如直接从内核缓冲区拷贝到网络协议栈？

实际上，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：

现在，index.html 要从文件进入到网络协议栈，只需 2 次拷贝：第一次使用 DMA 引擎从文件拷贝到内核缓冲区，第二次从内核缓冲区将数据拷贝到网络协议栈；内核缓存区只会拷贝一些 offset 和 length 信息到 SocketBuffer，基本无消耗。

零拷贝的再次理解

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，sendFile 2.1 版本实际上有 2 份数据，算不上零拷贝）。例如我们刚开始的例子，内核缓存区和 Socket 缓冲区的数据就是重复的。
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）

在选择上：rocketMQ 在消费消息时，使用了 mmap。kafka 使用了 sendFile。

NIO零拷贝案例

案例要求：

使用传统的IO方法传递一个大文件
使用NIO零拷贝方式传递一个大文件（transferTo）
看看两种传递方式耗时时间分别是多少

传统方式

package com.example.demo.netty.zerocopy;import java.io.DataInputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;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 (readCount == -1) {break;}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
}

package com.example.demo.netty.zerocopy;import java.io.*;
import java.net.Socket;public class OldIOClient {public static void main(String[] args) throws Exception {Socket socket = new Socket("localhost", 7001);File file = new File("bigFile.war");InputStream inputStream = new FileInputStream(file);DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());byte[] byteArray = new byte[4096];long readCount = 0;long total = 0;long startTime = System.currentTimeMillis();while ((readCount = inputStream.read(byteArray)) >= 0) {total += readCount;dataOutputStream.write(byteArray);}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

package com.example.demo.netty.zerocopy;import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;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);ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);while (true) {SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();int readCount = 0;while (-1 != readCount) {try {readCount = socketChannel.read(byteBuffer);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}byteBuffer.rewind();//倒带position=0 mark作废}}}
}

package com.example.demo.netty.zerocopy;import java.io.FileInputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;public class NewIOClient {public static void main(String[] args) throws Exception {SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7001));String filename = "bigFile.war";//得到一个文件channelFileChannel 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 一个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//transferTo 底层使用到零拷贝long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);System.out.println("发送总字节数： " + transferCount + "，耗时：" + (System.currentTimeMillis() - startTime));//关闭fileChannel.close();}
}

AIO基本介绍

JDK7 引入了,Asynchronous I/O,即AIO ,在进行IO编程中,常用到两种模式:Reactor 和 Proactor, Java 的NIO就是Reactor,当有事件触发时,服务器端得到通知进行相应的处理
AIO 即NIO2.0, 叫异步非阻塞IO。AIO引入异步通道的概念,采用了Proactor模式,简化了程序编写,有效的请求才启动线程,他的特点是,先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理,一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用
目前AIO还没有广泛应用,Netty也是基于NIO,而不是AIO,因此就不在这里讲AIO了,有兴趣的可以链接一下http://www.52im.net/thread-306-1-1.html

BIO、NIO、AIO对比