java 零拷贝详细讲解

Posted 2023-01-04 Xd聊架构

文章目录

• 一、传统IO
• 二、零拷贝
• • 1.通过DirectByteBuffer优化
  • 2.通过 linux 2.1 sendFile优化
  • 3.linux 2.4优化
• 三、java实现零拷贝
• • 1.mmap
  • 2.sendfile
• 结尾

---

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. 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

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

• 感谢大家的耐心阅读，如有建议请私信或评论留言。
• 如有收获，劳烦支持，关注、点赞、评论、收藏均可，博主会经常更新，与大家共同进步