#私藏项目实操分享# Java深层系列「技术盲区」让我们一起探索一下Netty(Java)底层的“零拷贝Zero-Copy”技术（上）

Posted 2021-12-28 浩宇天尚

Netty的零拷贝

Netty中的零拷贝与我们传统理解的零拷贝不太一样。

传统的零拷贝指的是数据传输过程中，不需要CPU进行数据的拷贝。主要是数据在用户空间与内核中间之间的拷贝。

传统意义的零拷贝

在发送数据的时候，传统的实现方式是：

• File.read(bytes)
• Socket.send(bytes)

这种方式需要四次数据拷贝和四次上下文切换：

• 数据从磁盘读取到内核的read buffer
• 数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区
• 数据从用户缓冲区拷贝到内核的socket buffer
• 数据从内核的socket buffer拷贝到网卡接口的缓冲区

明显上面的第二步和第三步是没有必要的，通过java的FileChannel.transferTo方法，可以避免上面两次多余的拷贝（当然这需要底层操作系统支持）。

1. 调用transferTo，数据从文件由DMA引擎拷贝到内核read buffer
2. 接着DMA从内核read buffer将数据拷贝到网卡接口buffer

上面的两次操作都不需要CPU参与，所以就达到了零拷贝。

Netty中的零拷贝

Netty中也用到了FileChannel.transferTo方法，所以Netty的零拷贝也包括上面将的操作系统级别的零拷贝，除此之外，在ByteBuf的实现上，Netty也提供了零拷贝的一些实现。

关于ByteBuffer，Netty提供了两个接口:

• ByteBuf
• ByteBufHolder

对于ByteBuf，Netty提供了多种实现：

• Heap ByteBuf:直接在堆内存分配
• Direct ByteBuf：直接在内存区域分配而不是堆内存
• CompositeByteBuf：组合Buffer

Direct Buffers(直接内存)

• 如果使用传统的堆内存分配，当我们需要将数据通过socket发送的时候，就需要从堆内存拷贝到直接内存，然后再由直接内存拷贝到网卡接口层。

• Netty提供的直接Buffer，直接将数据分配到内存空间，从而避免了数据的拷贝，实现了零拷贝。

堆外内存

如果在JVM 内部执行 I/O 操作时，必须将数据拷贝到堆外内存，才能执行系统调用。
VM语言都会存在的问题，那么为什么操作系统不能直接使用JVM堆内存进行 I/O 的读写呢？

主要有两点原因：

1. 操作系统并不感知JVM 的堆内存，而且 JVM 的内存布局与操作系统所分配的是不一样的，操作系统并不会按照 JVM 的行为来读写数据。

2. 同一个对象的内存地址随着 JVM GC 的执行可能会随时发生变化，例如 JVM GC 的过程中会通过压缩来减少内存碎片，这就涉及对象移动的问题了。

• JDK 告诉我们，NIO操作并不适合直接在堆上操作。由于 heap 受到 GC 的直接管理，在 IO 写入的过程中 GC 可能会进行内存空间整理，这导致了一次 IO 写入的内存地址不完整。

• JNI（Java Native Inteface）在调用 IO 操作的 C 类库时，规定了写入时地址不能失效，这就导致了不能在 heap 上直接进行 IO 操作。在 IO 操作的时候禁止 GC 也是一个选项，如果 IO 时间过长，那么则可能会引起堆空间溢出。

Composite Buffers

传统的ByteBuffer，如果需要将两个ByteBuffer中的数据组合到一起，我们需要首先创建一个size=size1+size2大小的新的数组，然后将两个数组中的数据拷贝到新的数组中。但是使用Netty提供的组合ByteBuf，就可以避免这样的操作，因为CompositeByteBuf并没有真正将多个Buffer组合起来，而是保存了它们的引用，从而避免了数据的拷贝，实现了零拷贝。

FileChannel.transferTo的使用

总结

1. Netty的接收和发送ByteBuffer采用DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行Socket读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。

   • 如果使用传统的堆内存（HEAP BUFFERS）进行Socket读写，JVM会将堆内存Buffer拷贝一份到直接内存中，然后才写入Socket中。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。

2. Netty提供了组合Buffer对象，可以聚合多个ByteBuffer对象，用户可以像操作一个Buffer那样方便的对组合Buffer进行操作，避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小Buffer合并成一个大的Buffer。

3. Netty的文件传输采用了transferTo方法，它可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标Channel，避免了传统通过循环write方式导致的内存拷贝问题。

关于堆外内存的回收

堆外内存的回收其实依赖于我们的GC机制

• 首先，我们要知道在java层面和我们在堆外分配的这块内存关联的只有与之关联的DirectByteBuffer对象了，它记录了这块内存的基地址以及大小，那么既然和GC也有关，那就是GC能通过操作DirectByteBuffer对象来间接操作对应的堆外内存了。

• DirectByteBuffer对象在创建的时候关联了一个PhantomReference，说到PhantomReference其实主要是用来跟踪对象何时被回收的，它不能影响GC决策。

• GC过程中如果发现某个对象除了只有PhantomReference引用它之外，并没有其他的地方引用它了，那将会把这个引用放到java.lang.ref.Reference.pending队列里，在GC完毕的时候通知ReferenceHandler这个守护线程去执行一些后置处理，而DirectByteBuffer关联的PhantomReference是PhantomReference的一个子类，在最终的处理里会通过Unsafe的free接口来释放DirectByteBuffer对应的堆外内存块。

为什么要主动调用System.gc

System.gc()会对新生代的老生代都会进行内存回收，这样会比较彻底地回收，DirectByteBuffer对象以及他们关联的堆外内存.

DirectByteBuffer对象本身其实是很小的，但是它后面可能关联了一个非常大的堆外内存，因此我们通常称之为冰山对象。

做ygc的时候会将新生代里的不可达的DirectByteBuffer对象及其堆外内存回收了，但是无法对old里的DirectByteBuffer对象及其堆外内存进行回收，这也是我们通常碰到的最大的问题.

如果有大量的DirectByteBuffer对象移到了old，但是又一直没有做cms gc或者full gc，而只进行ygc，那么我们的物理内存可能被慢慢耗光，但是我们还不知道发生了什么，因为heap明明剩余的内存还很多。

资源学习

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