一文徹底弄懂零拷貝原理以及java實(shí)現(xiàn)
零拷貝
零拷貝（Zero-Copy）是一種 I/O 操作優(yōu)化技術(shù)，可以快速高效地將數(shù)據(jù)從文件系統(tǒng)移動(dòng)到網(wǎng)絡(luò)接口，而不需要將其從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間。其在 FTP 或者 HTTP 等協(xié)議中可以顯著地提升性能。但是需要注意的是，并不是所有的操作系統(tǒng)都支持這一特性，目前只有在使用 NIO 和 Epoll 傳輸時(shí)才可使用該特性。
需要注意，它不能用于實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)加密或者壓縮的文件系統(tǒng)上，只有傳輸文件的原始內(nèi)容。這類原始內(nèi)容也包括加密了的文件內(nèi)容。
傳統(tǒng)I/O操作存在的性能問題
如果服務(wù)端要提供文件傳輸?shù)墓δ埽覀兡芟氲降淖詈唵蔚姆绞绞牵簩⒋疟P上的文件讀取出來，然后通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送給客戶端。
傳統(tǒng) I/O 的工作方式是，數(shù)據(jù)讀取和寫入是從用戶空間到內(nèi)核空間來回復(fù)制，而內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)是通過操作系統(tǒng)層面的 I/O 接口從磁盤讀取或?qū)懭搿?/p>
代碼通常如下，一般會需要兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用：
read(file, tmp_buf, len); write(socket, tmp_buf, len);
代碼很簡單，雖然就兩行代碼，但是這里面發(fā)生了不少的事情。
首先，期間共發(fā)生了 4 次用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的上下文切換，因?yàn)榘l(fā)生了兩次系統(tǒng)調(diào)用，一次是 read() ，一次是 write()，每次系統(tǒng)調(diào)用都得先從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，等內(nèi)核完成任務(wù)后，再從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)。
上下文切換到成本并不小，一次切換需要耗時(shí)幾十納秒到幾微秒，雖然時(shí)間看上去很短，但是在高并發(fā)的場景下，這類時(shí)間容易被累積和放大，從而影響系統(tǒng)的性能。
其次，還發(fā)生了 4 次數(shù)據(jù)拷貝，其中兩次是 DMA 的拷貝，另外兩次則是通過 CPU 拷貝的，下面說一下這個(gè)過程：
- 第一次拷貝，把磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)里，這個(gè)拷貝的過程是通過 DMA 搬運(yùn)的。
- 第二次拷貝，把內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶的緩沖區(qū)里，于是我們應(yīng)用程序就可以使用這部分?jǐn)?shù)據(jù)了，這個(gè)拷貝到過程是由 CPU 完成的。
- 第三次拷貝，把剛才拷貝到用戶的緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)，再拷貝到內(nèi)核的 socket 的緩沖區(qū)里，這個(gè)過程依然還是由 CPU 搬運(yùn)的。
- 第四次拷貝，把內(nèi)核的 socket 緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)，拷貝到網(wǎng)卡的緩沖區(qū)里，這個(gè)過程又是由 DMA 搬運(yùn)的。
這種簡單又傳統(tǒng)的文件傳輸方式，存在冗余的上文切換和數(shù)據(jù)拷貝，在高并發(fā)系統(tǒng)里是非常糟糕的，多了很多不必要的開銷，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。
所以，要想提高文件傳輸?shù)男阅埽托枰獪p少「用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的上下文切換」和「內(nèi)存拷貝」的次數(shù)。
零拷貝技術(shù)原理
零拷貝主要是用來解決操作系統(tǒng)在處理 I/O 操作時(shí)，頻繁復(fù)制數(shù)據(jù)的問題。關(guān)于零拷貝主要技術(shù)有 mmap+write、sendfile和splice等幾種方式。
虛擬內(nèi)存
在了解零拷貝技術(shù)之前，先了解虛擬內(nèi)存的概念。
所有現(xiàn)代操作系統(tǒng)都使用虛擬內(nèi)存，使用虛擬地址取代物理地址，主要有以下幾點(diǎn)好處：
- 多個(gè)虛擬內(nèi)存可以指向同一個(gè)物理地址。
- 虛擬內(nèi)存空間可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物理內(nèi)存空間。
利用上述的第一條特性可以優(yōu)化，可以把內(nèi)核空間和用戶空間的虛擬地址映射到同一個(gè)物理地址，這樣在 I/O 操作時(shí)就不需要來回復(fù)制了。
如下圖展示了虛擬內(nèi)存的原理。
mmap/write 方式
使用mmap/write方式替換原來的傳統(tǒng)I/O方式，就是利用了虛擬內(nèi)存的特性。下圖展示了mmap/write原理：
整個(gè)流程的核心區(qū)別就是，把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核緩沖區(qū)后，應(yīng)用程序進(jìn)行寫入操作時(shí)，直接把內(nèi)核的Read Buffer的數(shù)據(jù)復(fù)制到Socket Buffer以便寫入，這次內(nèi)核之間的復(fù)制也是需要CPU的參與的。
上述流程就是少了一個(gè) CPU COPY，提升了 I/O 的速度。不過發(fā)現(xiàn)上下文的切換還是4次并沒有減少，這是因?yàn)檫€是要應(yīng)用程序發(fā)起write操作。
那能不能減少上下文切換呢?這就需要sendfile方式來進(jìn)一步優(yōu)化了。
sendfile 方式
從 Linux 2.1 版本開始，Linux 引入了 sendfile來簡化操作。sendfile方式可以替換上面的mmap/write方式來進(jìn)一步優(yōu)化。
sendfile將以下操作：
mmap(); write();
替換為：
sendfile();
這樣就減少了上下文切換，因?yàn)樯倭艘粋€(gè)應(yīng)用程序發(fā)起write操作，直接發(fā)起sendfile操作。
下圖展示了sendfile原理：
sendfile方式只有三次數(shù)據(jù)復(fù)制（其中只有一次 CPU COPY）以及2次上下文切換。
那能不能把 CPU COPY 減少到?jīng)]有呢？這樣需要帶有 scatter/gather的sendfile方式了。
帶有 scatter/gather 的 sendfile方式
Linux 2.4 內(nèi)核進(jìn)行了優(yōu)化，提供了帶有 scatter/gather 的 sendfile 操作，這個(gè)操作可以把最后一次 CPU COPY 去除。其原理就是在內(nèi)核空間 Read BUffer 和 Socket Buffer 不做數(shù)據(jù)復(fù)制，而是將 Read Buffer 的內(nèi)存地址、偏移量記錄到相應(yīng)的 Socket Buffer 中，這樣就不需要復(fù)制。其本質(zhì)和虛擬內(nèi)存的解決方法思路一致，就是內(nèi)存地址的記錄。
下圖展示了scatter/gather 的 sendfile 的原理：
scatter/gather 的 sendfile 只有兩次數(shù)據(jù)復(fù)制（都是 DMA COPY）及 2 次上下文切換。CUP COPY 已經(jīng)完全沒有。不過這一種收集復(fù)制功能是需要硬件及驅(qū)動(dòng)程序支持的。
splice 方式
splice 調(diào)用和sendfile 非常相似，用戶應(yīng)用程序必須擁有兩個(gè)已經(jīng)打開的文件描述符，一個(gè)表示輸入設(shè)備，一個(gè)表示輸出設(shè)備。與sendfile不同的是，splice允許任意兩個(gè)文件互相連接，而并不只是文件與socket進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對于從一個(gè)文件描述符發(fā)送數(shù)據(jù)到socket這種特例來說，一直都是使用sendfile系統(tǒng)調(diào)用，而splice一直以來就只是一種機(jī)制，它并不僅限于sendfile的功能。也就是說 sendfile 是 splice 的一個(gè)子集。
在 Linux 2.6.17 版本引入了 splice，而在 Linux 2.6.23 版本中， sendfile 機(jī)制的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)沒有了，但是其 API 及相應(yīng)的功能還在，只不過 API 及相應(yīng)的功能是利用了 splice 機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。
和 sendfile 不同的是，splice 不需要硬件支持。
總結(jié)
無論是傳統(tǒng)的 I/O 方式，還是引入了零拷貝之后，2 次 DMA copy是都少不了的。因?yàn)閮纱?DMA 都是依賴硬件完成的。所以，所謂的零拷貝，都是為了減少 CPU copy 及減少了上下文的切換。
下圖展示了各種零拷貝技術(shù)的對比圖：
| CPU拷貝 | DMA拷貝 | 系統(tǒng)調(diào)用 | 上下文切換 | |
|---|---|---|---|---|
| 傳統(tǒng)方法 | 2 | 2 | read/write | 4 |
| 內(nèi)存映射 | 1 | 2 | mmap/write | 4 |
| sendfile | 1 | 2 | sendfile | 2 |
| scatter/gather copy | 0 | 2 | sendfile | 2 |
| splice | 0 | 2 | splice | 0 |
到此這篇關(guān)于零拷貝原理以及java實(shí)現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)零拷貝原理及java實(shí)現(xiàn)內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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