JAVA IO專題二：java NIO讀取文件并通過socket發(fā)送画饥，最少拷貝了幾次玩荠？堆外內(nèi)存和所謂的零拷貝到底是什么關(guān)系

內(nèi)核的零拷貝

內(nèi)核的零拷貝闷尿，指的是不需要消耗CPU資源，完全交給DMA來處理女坑，內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)沒有多余的拷貝填具。主要經(jīng)歷了這么幾個(gè)發(fā)展歷程：

一、傳統(tǒng)的read + send

1、先調(diào)用操作系統(tǒng)的read函數(shù)劳景，由DMA將文件拷貝到內(nèi)核誉简，然后CPU把內(nèi)核數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)（堆外內(nèi)存）
2、調(diào)用操作系統(tǒng)的send函數(shù)盟广，由CPU把用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到socket緩沖區(qū)闷串，最后DMA把socket緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡進(jìn)行發(fā)送。

這個(gè)過程中內(nèi)核數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間筋量，用戶空間又拷貝回內(nèi)存烹吵，有兩次多余的拷貝。

二桨武、sendfile初始版本

直接調(diào)用sendfile來發(fā)送文件肋拔，流程如下：
1、首先通過 DMA將數(shù)據(jù)從磁盤讀取到內(nèi)核
2呀酸、然后通過 CPU將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到socket緩沖區(qū)
3凉蜂、最終通過 DMA將socket緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡發(fā)送

sendfile 與 read + send 方式相比，少了一次 CPU的拷貝七咧。但是從上述過程中也可以發(fā)現(xiàn)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到socket緩沖區(qū)是沒必要的跃惫。

三叮叹、sendfile改進(jìn)版本艾栋，真正的零拷貝

內(nèi)核為2.4或者以上版本的linux系統(tǒng)上，改進(jìn)后的處理過程如下：
1蛉顽、DMA 將磁盤數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)蝗砾，向socket緩沖區(qū)中追加當(dāng)前要發(fā)送的數(shù)據(jù)在內(nèi)核緩沖區(qū)中的位置和偏移量
2、DMA gather copy 根據(jù) socket緩沖區(qū)中的位置和偏移量携冤，直接將內(nèi)核緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡上悼粮。
經(jīng)過上述過程，數(shù)據(jù)只經(jīng)過了 2 次 copy 就從磁盤傳送出去了曾棕。并且沒有CPU的參與扣猫。

java的零拷貝

一、利用directBuffer

在上一篇文章JAVA IO專題一：java InputStream和OutputStream讀取文件并通過socket發(fā)送翘地，到底涉及幾次拷貝中申尤，我們提到了基于BIO讀取文件發(fā)送消息，一共涉及六次拷貝衙耕，其中堆外和堆內(nèi)內(nèi)存的拷貝是多余的昧穿，我們可以利用directBuffer來減少這兩次拷貝：

//打開文件通道
FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("/test.txt"));
//申請(qǐng)堆外內(nèi)存
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
//讀取到堆外內(nèi)存
fileChannel.read(byteBuffer);
//打開socket通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9099));
//堆外內(nèi)存寫入socket通道
socketChannel.write(byteBuffer);

每一行代碼都有清楚的注釋，我們主要來看一下fileChannel.read橙喘、socketChannel.write做了什么：

fileChannel.read 分析

//FileChannelImpl
public int read(ByteBuffer dst) throws IOException {
    ... 忽略了一堆不重要代碼
        synchronized (positionLock) {
            int n = 0;
            int ti = -1;
            try {
                do {
                   // 調(diào)用IOUtil时鸵，根據(jù)文件描述符fd讀取數(shù)據(jù)到直接緩沖區(qū)dst中
                    n = IOUtil.read(fd, dst, -1, nd);
                } while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
                return IOStatus.normalize(n);
            } finally {
                threads.remove(ti);
                end(n > 0);
                assert IOStatus.check(n);
            }
        }
    }
//IOUtil
static int read(FileDescriptor fd, ByteBuffer dst, long position,
                    NativeDispatcher nd)
        throws IOException
    {
        ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(dst.remaining());
        try {
            int n = readIntoNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
            bb.flip();
            if (n > 0)
                dst.put(bb);
            return n;
        } finally {
            Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
        }
    }

private static int readIntoNativeBuffer(FileDescriptor fd, ByteBuffer bb,
                                            long position, NativeDispatcher nd)
        throws IOException
    {
        int pos = bb.position();
        int lim = bb.limit();
        assert (pos <= lim);
        int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);

        if (rem == 0)
            return 0;
        int n = 0;
        if (position != -1) {
            n = nd.pread(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos,
                         rem, position);
        } else {
           //第一次讀取會(huì)走到這里，否則走上面的分支
            n = nd.read(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);
        }
        if (n > 0)
            bb.position(pos + n);
        return n;
    }
//FileDispatcherImpl
 int read(FileDescriptor fd, long address, int len) throws IOException {
        return read0(fd, address, len);
    }

這里的調(diào)用鏈比較深厅瞎，我們一步一步梳理：

調(diào)用fileChannel.read實(shí)際是走到了FileChannelImpl.read方法饰潜，然后走到n = IOUtil.read(fd, dst, -1, nd);調(diào)用IOUtil的read初坠，傳入了文件描述符、directBuffer
IOUtil 調(diào)用自己的readIntoNativeBuffer方法彭雾，字面意思是講數(shù)據(jù)讀取到native緩存某筐，即堆外內(nèi)存
IOUtil 的 readIntoNativeBuffer 方法調(diào)用n = nd.read(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);，即NativeDispatcher 的read方法冠跷，傳入文件描述符南誊，堆外內(nèi)存地址以及要讀取的長度
這里的 NativeDispatcher 實(shí)現(xiàn)類為 FileDispatcherImpl，實(shí)際調(diào)用的是native方法read0蜜托，并傳入了文件描述符抄囚、堆外內(nèi)存地址和讀取長度

我們簡單看一下native的read0方法做了什么：

// 以下內(nèi)容來自于 jdk/src/solairs/native/sun/nio/ch/FileDispatcherImpl.c

JNIEXPORT jint JNICALL
Java_sun_nio_ch_FileDispatcherImpl_read0(JNIEnv *env, jclass clazz,
                             jobject fdo, jlong address, jint len)
{
    //拿到文件描述符
    jint fd = fdval(env, fdo);
    //根據(jù)地址拿到堆外內(nèi)存的指針
    void *buf = (void *)jlong_to_ptr(address);
  //直接調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)read把文件描述符讀取到buf中
    return convertReturnVal(env, read(fd, buf, len), JNI_TRUE);
}

可以看到native的read0方法是直接調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)read，根據(jù)jvm傳過來的堆外內(nèi)存地址橄务，將文件數(shù)據(jù)讀取到堆外內(nèi)存中（read方法的作用在內(nèi)核零拷貝小節(jié)里已經(jīng)提到了）幔托。即直接操作堆外內(nèi)存，而不使用DirectByteBuffer的時(shí)候蜂挪，還需要將堆外內(nèi)存拷貝到堆內(nèi)進(jìn)行讀寫JAVA IO專題一：java InputStream和OutputStream讀取文件并通過socket發(fā)送重挑，到底涉及幾次拷貝），因此使用堆外內(nèi)存+channel的方式棠涮，可以避免堆內(nèi)外內(nèi)存拷貝谬哀，一定程度上也能提高效率。

socketChannel.write 分析

//SocketChannelImpl.java
  public int write(ByteBuffer buf) throws IOException {
        synchronized (writeLock) {
              ... 忽略不重要代碼
            int n = 0;
            try {
                for (;;) {
                    //調(diào)用IOUtil.write寫數(shù)據(jù)
                    n = IOUtil.write(fd, buf, -1, nd);
                    if ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen())
                        continue;
                    return IOStatus.normalize(n);
                }
            } finally {
                writerCleanup();
            }
        }
    }
//IOUtil.java
static int write(FileDescriptor fd, ByteBuffer src, long position,
                     NativeDispatcher nd)
        throws IOException
    {
        if (src instanceof DirectBuffer)
             //directBuffer直接走這里
            return writeFromNativeBuffer(fd, src, position, nd);
    }

  private static int writeFromNativeBuffer(FileDescriptor fd, ByteBuffer bb,
                                             long position, NativeDispatcher nd) throws IOException
    {
        int pos = bb.position();
        int lim = bb.limit();
        assert (pos <= lim);
        int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);

        int written = 0;
        if (rem == 0)
            return 0;
        if (position != -1) {
            written = nd.pwrite(fd,
                                ((DirectBuffer)bb).address() + pos,
                                rem, position);
        } else {
            //調(diào)用SocketDispatcher寫數(shù)據(jù)
            written = nd.write(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);
        }
        if (written > 0)
            bb.position(pos + written);
        return written;
    }

//SocketDispatcher.java
int write(FileDescriptor fd, long address, int len) throws IOException {
        //直接調(diào)用了FileDispatcherImpl的native方法write0
        return FileDispatcherImpl.write0(fd, address, len);
    }

在看native方法之前還是先做簡單的梳理：

socketChannel.write 實(shí)際調(diào)用了SocketChannelImpl.write严肪，然后調(diào)用IOUtil.write(fd, buf, -1, nd); 傳入文件描述符和堆外內(nèi)存引用
IOUtil.write調(diào)用自己的私有方法 writeFromNativeBuffer史煎，內(nèi)部調(diào)用了written = nd.write(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);，將文件描述符驳糯、堆外內(nèi)存地址交給了NativeDispatcher
此處的NativeDispatcher實(shí)際是 SocketDispatcher篇梭，里面直接調(diào)用了FileDispatcherImpl.write0(fd, address, len);native方法

接著跟蹤FileDispatcherImpl.write0(fd, address, len);這個(gè)native方法：

// 以下內(nèi)容來自于 jdk/src/solairs/native/sun/nio/ch/FileDispatcherImpl.c

JNIEXPORT jint JNICALL
Java_sun_nio_ch_FileDispatcherImpl_write0(JNIEnv *env, jclass clazz,
                              jobject fdo, jlong address, jint len)
{
    //轉(zhuǎn)換文件描述符
    jint fd = fdval(env, fdo);
    //轉(zhuǎn)換為堆外內(nèi)存指針
    void *buf = (void *)jlong_to_ptr(address);
    //直接調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)write將堆外內(nèi)存數(shù)據(jù)發(fā)送出去
    return convertReturnVal(env, write(fd, buf, len), JNI_FALSE);
}

可以看到native的write0方法是直接調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)write將堆外內(nèi)存數(shù)據(jù)發(fā)送出去（write方法的作用在內(nèi)核零拷貝小節(jié)里已經(jīng)提到了）。

小結(jié)
fileChannel和socketChannel配合directBuffer酝枢，本質(zhì)上區(qū)別不大恬偷，都是配合系統(tǒng)函數(shù)write和read對(duì)文件描述符，直接操作堆外內(nèi)存帘睦。因此相比較于BIO可以省去兩次拷貝袍患。

二、channel.transferTo

java中的零拷貝就是依賴操作系統(tǒng)的sendfile函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的官脓，提供了channel.transferTo方法协怒，允許將一個(gè)channel的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到另一個(gè)channel，接下來我們通過示例代碼和具體的源碼來分析和驗(yàn)證前面的說法卑笨。
示例代碼如下：

//打開socketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9099));
//
FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("/test.txt"));
fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);

只用了一行代碼fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);就把文件數(shù)據(jù)寫到了socket孕暇，繼續(xù)看源碼：

//FileChannelImpl.java
public long transferTo(long position, long count,
                           WritableByteChannel target)
        throws IOException
    {
         ... 忽略不重要代碼
        long sz = size();
        if (position > sz)
            return 0;
        int icount = (int)Math.min(count, Integer.MAX_VALUE);
        if ((sz - position) < icount)
            icount = (int)(sz - position);

        long n;
          //先嘗試直接tranfer，如果內(nèi)核支持的話
        if ((n = transferToDirectly(position, icount, target)) >= 0)
            return n;
        //嘗試mappedTransfer，只適用于受信任的channel類型
        if ((n = transferToTrustedChannel(position, icount, target)) >= 0)
            return n;
          //channel不受信任的話妖滔，會(huì)走最慢的方式
        return transferToArbitraryChannel(position, icount, target);
    }

// FileChannelimpl.java
private long transferToDirectly(long position, int icount,
                                    WritableByteChannel target)
        throws IOException
    {
        if (!transferSupported)
            //系統(tǒng)不支持就直接返回
            return IOStatus.UNSUPPORTED;

        FileDescriptor targetFD = null;
        if (target instanceof FileChannelImpl) { //如果目標(biāo)是fileChannel則走這里
            if (!fileSupported)
                return IOStatus.UNSUPPORTED_CASE;
            targetFD = ((FileChannelImpl)target).fd;
        } else if (target instanceof SelChImpl) { 
            //SocketChannel實(shí)現(xiàn)了SelChImpl接口隧哮，因此會(huì)走這里
            if ((target instanceof SinkChannelImpl) && !pipeSupported)
                return IOStatus.UNSUPPORTED_CASE;
            //給targetFD賦值
            targetFD = ((SelChImpl)target).getFD();
        }
        if (targetFD == null)
            return IOStatus.UNSUPPORTED;
        //將fileChannel和socketChannel對(duì)應(yīng)的fd轉(zhuǎn)換為具體的值
        int thisFDVal = IOUtil.fdVal(fd);
        int targetFDVal = IOUtil.fdVal(targetFD);
        //不支持自己給自己傳輸
        if (thisFDVal == targetFDVal) 
            return IOStatus.UNSUPPORTED;

        long n = -1;
        int ti = -1;
        try {
            begin();
            ti = threads.add();
            if (!isOpen())
                return -1;
            do { 
                //調(diào)用native方法transferTo0
                n = transferTo0(thisFDVal, position, icount, targetFDVal);
            } while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
            if (n == IOStatus.UNSUPPORTED_CASE) {
                if (target instanceof SinkChannelImpl)
                    pipeSupported = false;
                if (target instanceof FileChannelImpl)
                    fileSupported = false;
                return IOStatus.UNSUPPORTED_CASE;
            }
            if (n == IOStatus.UNSUPPORTED) {
                // Don't bother trying again
                transferSupported = false;
                return IOStatus.UNSUPPORTED;
            }
            return IOStatus.normalize(n);
        } finally {
            threads.remove(ti);
            end (n > -1);
        }
    }

代碼有點(diǎn)長：

調(diào)用FileChannelImpl的transferTo，會(huì)嘗試三種情況座舍，如果系統(tǒng)支持零拷貝沮翔，則走 transferToDirectly
transferToDirectly 方法前面做了各種判斷，其實(shí)可以理解為直接調(diào)用了n = transferTo0(thisFDVal, position, icount, targetFDVal);native方法

再來跟蹤transferTo0：

// 以下內(nèi)容來自于 jdk/src/solairs/native/sun/nio/ch/FileChannelImpl.c
JNIEXPORT jlong JNICALL
Java_sun_nio_ch_FileChannelImpl_transferTo0(JNIEnv *env, jobject this,
                                            jint srcFD,
                                            jlong position, jlong count,
                                            jint dstFD)
{
#if defined(__linux__)
    off64_t offset = (off64_t)position;
    //直接調(diào)用sendfile
    jlong n = sendfile64(dstFD, srcFD, &offset, (size_t)count);
    if (n < 0) {
        if (errno == EAGAIN)
            return IOS_UNAVAILABLE;
        if ((errno == EINVAL) && ((ssize_t)count >= 0))
            return IOS_UNSUPPORTED_CASE;
        if (errno == EINTR) {
            return IOS_INTERRUPTED;
        }
        JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, "Transfer failed");
        return IOS_THROWN;
    }
    return n;
}

這個(gè)方法里其實(shí)有l(wèi)inux曲秉、solaris采蚀、APPLE等多個(gè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，這里只截取linux下的實(shí)現(xiàn)承二，可以看到是直接調(diào)用了系統(tǒng)函數(shù)sendfile來實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)發(fā)送榆鼠，具體的拷貝次數(shù)則要看linux內(nèi)核的版本了。

總結(jié)

NIO讀取文件并通過socket發(fā)送亥鸠，最少拷貝幾次妆够？
直接調(diào)用channel.transferTo，同時(shí)linux內(nèi)核版本大于等于2.4负蚊，則可以將拷貝次數(shù)降低到2次神妹，并且CPU不參與拷貝。
堆外內(nèi)存和所謂的零拷貝到底是什么關(guān)系
筆者理解網(wǎng)上說的零拷貝家妆，可以理解為內(nèi)核層面的零拷貝和java層面的零拷貝鸵荠，所謂的0并不是一次拷貝都沒有，而是在不同的場(chǎng)景下盡可能減少拷貝次數(shù)揩徊。

參考文章

Java 堆外內(nèi)存腰鬼、零拷貝嵌赠、直接內(nèi)存以及針對(duì)于NIO中的FileChannel的思考
 JavaIO原理剖析之網(wǎng)絡(luò)IO

最后編輯于：2021.02.26 15:20:40

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救了他兩次的神仙讓他今天三更去死
文/潘曉璐我一進(jìn)店門缺虐，熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來芜壁，“玉大人，你說我怎么就攤上這事』弁” “怎么了顷牌？”我有些...
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道士緝兇錄：失蹤的賣姜人
文/不壞的土叔我叫張陵，是天一觀的道長塞淹。經(jīng)常有香客問我窟蓝，道長，這世上最難降的妖魔是什么饱普？我笑而不...
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?港島之戀（遺憾婚禮）
正文為了忘掉前任运挫，我火速辦了婚禮，結(jié)果婚禮上套耕，老公的妹妹穿的比我還像新娘滑臊。我一直安慰自己，他們只是感情好箍铲，可當(dāng)我...
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惡毒庶女頂嫁案：這布局不是一般人想出來的
文/花漫我一把揭開白布雇卷。她就那樣靜靜地躺著，像睡著了一般颠猴。火紅的嫁衣襯著肌膚如雪关划。梳的紋絲不亂的頭發(fā)上，一...
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城市分裂傳說
那天翘瓮，我揣著相機(jī)與錄音贮折，去河邊找鬼。笑死资盅，一個(gè)胖子當(dāng)著我的面吹牛调榄，可吹牛的內(nèi)容都是我干的。我是一名探鬼主播呵扛，決...
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雙鴛鴦連環(huán)套：你想象不到人心有多黑
文/蒼蘭香墨我猛地睜開眼每庆，長吁一口氣：“原來是場(chǎng)噩夢(mèng)啊……” “哼！你這毒婦竟也來了今穿？” 一聲冷哼從身側(cè)響起缤灵，我...
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萬榮殺人案實(shí)錄
序言：老撾萬榮一對(duì)情侶失蹤，失蹤者是張志新（化名）和其女友劉穎蓝晒，沒想到半個(gè)月后腮出，有當(dāng)?shù)厝嗽跇淞掷锇l(fā)現(xiàn)了一具尸體，經(jīng)...
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?護(hù)林員之死
正文獨(dú)居荒郊野嶺守林人離奇死亡芝薇，尸身上長有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛以下內(nèi)容為張勛視角年9月15日...
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?白月光啟示錄
正文我和宋清朗相戀三年胚嘲，在試婚紗的時(shí)候發(fā)現(xiàn)自己被綠了。大學(xué)時(shí)的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片洛二。...
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活死人
序言：一個(gè)原本活蹦亂跳的男人離奇死亡馋劈，死狀恐怖立倍，靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出，到底是詐尸還是另有隱情侣滩，我是刑警寧澤口注，帶...
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?日本核電站爆炸內(nèi)幕
正文年R本政府宣布，位于F島的核電站君珠，受9級(jí)特大地震影響寝志，放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏。R本人自食惡果不足惜策添，卻給世界環(huán)境...
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男人毒藥：我在死后第九天來索命
文/蒙蒙一材部、第九天我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望。院中可真熱鬧唯竹，春花似錦乐导、人聲如沸。這莊子的主人今日做“春日...
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一樁弒父案物臂，背后竟有這般陰謀
文/蒼蘭香墨我抬頭看了看天上的太陽。三九已至产上，卻和暖如春棵磷，著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間，已是汗流浹背晋涣。一陣腳步聲響...
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情欲美人皮
我被黑心中介騙來泰國打工仪媒，沒想到剛下飛機(jī)就差點(diǎn)兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道東北人谢鹊。一個(gè)月前我還...
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代替公主和親
正文我出身青樓算吩，卻偏偏與公主長得像，于是被迫代替她去往敵國和親佃扼。傳聞我的和親對(duì)象是個(gè)殘疾皇子偎巢，可洞房花燭夜當(dāng)晚...
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JAVA IO專題二：java NIO讀取文件并通過socket發(fā)送挑胸，最少拷貝了幾次号醉？堆外內(nèi)存和所謂的零拷貝到底是什么關(guān)系