Netty—— 概念剖析(零拷贝)
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Netty—— 概念剖析(零拷贝)相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
目录
一、传统 IO 问题
1.1、传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出
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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
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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
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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。
以上是关于Netty—— 概念剖析(零拷贝)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章
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