java 零拷贝详细讲解

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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java 零拷贝详细讲解相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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一、传统IO

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

File f = new File("test.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);

内部工作流程:

  1. 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)来实现文件读,其间也不会使用 cpu

    DMA 也可以理解为硬件单元,用来解放 cpu 完成文件 IO

  2. 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

  3. 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

  4. 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

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

DMA,英文全称是Direct Memory Access,即直接内存访问。DMA本质上是一块主板上独立的芯片,允许外设设备和内存存储器之间直接进行IO数据传输,其过程不需要CPU的参与。
简单的说它就是帮住CPU转发一下IO请求以及拷贝数据,那为什么需要它呢?其实主要是效率问题。它帮忙CPU做事情,这时候,CPU就可以闲下来去做别的事情,提高了CPU的利用效率。


二、零拷贝

零拷贝(英语: Zero-copy) 技术是指计算机执行操作时,CPU不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域。这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。

  • 零拷贝技术可以减少数据拷贝和共享总线操作的次数,消除传输数据在存储器之间不必要的中间拷贝次数,从而有效地提高数据传输效率
  • 零拷贝技术减少了用户进程地址空间和内核地址空间之间因为上:下文切换而带来的开销

可以看出没有说不需要拷贝,只是说减少冗余[不必要]的拷贝。

1.通过DirectByteBuffer优化

  • ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存
  • ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存


大部分步骤与优化前相同,不再赘述。唯有一点:java 可以使用 DirectByteBuf 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 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用,内存回收分成两步
    • DirectByteBuf 对象被垃圾回收,将虚引用加入引用队列
    • 通过专门线程访问引用队列,根据虚引用释放堆外内存
  • 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

2.通过 linux 2.1 sendFile优化

sendfile是Linux2.1版本后内核引入 的一个系统调用函数,java 中对应着channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

sendfile表示在两个文件描述符之间传输数据,它是在操作系统内核中操作的,避免了数据从内核缓冲区和用户缓冲区之间的拷贝操作,因此可以使用它来实现零拷贝。

  1. 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
  2. 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区,cpu 会参与拷贝
  3. 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡,不会使用 cpu

可以看到

  • 只发生了一次用户态与内核态的切换
  • 数据拷贝了 3 次

3.linux 2.4优化

  1. 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
  2. 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区,几乎无消耗
  3. 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡,不会使用 cpu

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。


三、java实现零拷贝

Linux提供的领拷贝技术 Java并不是全支持,支持2种(内存映射mmap、sendfile)。

1.mmap

Java NIO有一个MappedByteBuffer的类可以用来实现内存映射。它的底层是调用的linux内核的mmap的API

Kafka Producer生产的数据持久化到broker,采用mmap文件映射,实现顺序的快速写入

public class TestMMap 

    public static void main(String[] args) 
        try 
            FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./test1.txt"), StandardOpenOption.READ);
            MappedByteBuffer data = readChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, 1024 * 1024 * 40);
            FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./test2.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
            //数据传输
            writeChannel.write(data);
            readChannel.close();
            writeChannel.close();
        catch (Exception e)
            System.out.println(e.getMessage());
        
    


2.sendfile

FileChannel的transferTo()/transferFrom(),底层就是sendfile() 系统调用函数。

Kafka Customer从broker读取数据,采用sendfile,将磁盘文件读到OS内核缓冲区后,直接转到socket buffer进行网络发送

public class TestSendFile 
    public static void main(String[] args) 
        try 
            FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./test1.txt"), StandardOpenOption.READ);
            long len = readChannel.size();
            long position = readChannel.position();
            
            FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./test2.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
            //数据传输
            readChannel.transferTo(position, len, writeChannel);
            readChannel.close();
            writeChannel.close();
         catch (Exception e) 
            System.out.println(e.getMessage());
        
    



结尾

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