一文彻底弄懂零拷贝原理以及java实现

零拷贝

零拷贝（Zero-Copy）是一种 I/O 操作优化技术，可以快速高效地将数据从文件系统移动到网络接口，而不需要将其从内核空间复制到用户空间。其在 FTP 或者 HTTP 等协议中可以显著地提升性能。但是需要注意的是，并不是所有的操作系统都支持这一特性，目前只有在使用 NIO 和 Epoll 传输时才可使用该特性。

需要注意，它不能用于实现了数据加密或者压缩的文件系统上，只有传输文件的原始内容。这类原始内容也包括加密了的文件内容。

传统I/O操作存在的性能问题

如果服务端要提供文件传输的功能，我们能想到的最简单的方式是：将磁盘上的文件读取出来，然后通过网络协议发送给客户端。

传统 I/O 的工作方式是，数据读取和写入是从用户空间到内核空间来回复制，而内核空间的数据是通过操作系统层面的 I/O 接口从磁盘读取或写入。

代码通常如下，一般会需要两个系统调用：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

代码很简单，虽然就两行代码，但是这里面发生了不少的事情。

首先，期间共发生了 4 次用户态与内核态的上下文切换，因为发生了两次系统调用，一次是 read() ，一次是 write()，每次系统调用都得先从用户态切换到内核态，等内核完成任务后，再从内核态切换回用户态。

上下文切换到成本并不小，一次切换需要耗时几十纳秒到几微秒，虽然时间看上去很短，但是在高并发的场景下，这类时间容易被累积和放大，从而影响系统的性能。

其次，还发生了 4 次数据拷贝，其中两次是 DMA 的拷贝，另外两次则是通过 CPU 拷贝的，下面说一下这个过程：

• 第一次拷贝，把磁盘上的数据拷贝到操作系统内核的缓冲区里，这个拷贝的过程是通过 DMA 搬运的。
• 第二次拷贝，把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，于是我们应用程序就可以使用这部分数据了，这个拷贝到过程是由 CPU 完成的。
• 第三次拷贝，把刚才拷贝到用户的缓冲区里的数据，再拷贝到内核的 socket 的缓冲区里，这个过程依然还是由 CPU 搬运的。
• 第四次拷贝，把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程又是由 DMA 搬运的。

这种简单又传统的文件传输方式，存在冗余的上文切换和数据拷贝，在高并发系统里是非常糟糕的，多了很多不必要的开销，会严重影响系统性能。

所以，要想提高文件传输的性能，就需要减少「用户态与内核态的上下文切换」和「内存拷贝」的次数。

零拷贝技术原理

零拷贝主要是用来解决操作系统在处理 I/O 操作时，频繁复制数据的问题。关于零拷贝主要技术有 mmap+write、sendfile和splice等几种方式。

虚拟内存

在了解零拷贝技术之前，先了解虚拟内存的概念。
所有现代操作系统都使用虚拟内存，使用虚拟地址取代物理地址，主要有以下几点好处：

• 多个虚拟内存可以指向同一个物理地址。
• 虚拟内存空间可以远远大于物理内存空间。

利用上述的第一条特性可以优化，可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样在 I/O 操作时就不需要来回复制了。

如下图展示了虚拟内存的原理。

mmap/write 方式

使用mmap/write方式替换原来的传统I/O方式，就是利用了虚拟内存的特性。下图展示了mmap/write原理：

整个流程的核心区别就是，把数据读取到内核缓冲区后，应用程序进行写入操作时，直接把内核的Read Buffer的数据复制到Socket Buffer以便写入，这次内核之间的复制也是需要CPU的参与的。

上述流程就是少了一个 CPU COPY，提升了 I/O 的速度。不过发现上下文的切换还是4次并没有减少，这是因为还是要应用程序发起write操作。

那能不能减少上下文切换呢?这就需要sendfile方式来进一步优化了。

sendfile 方式

从 Linux 2.1 版本开始，Linux 引入了 sendfile来简化操作。sendfile方式可以替换上面的mmap/write方式来进一步优化。

sendfile将以下操作：

  mmap();
  write();

替换为：

 sendfile();

这样就减少了上下文切换，因为少了一个应用程序发起write操作，直接发起sendfile操作。

下图展示了sendfile原理：

sendfile方式只有三次数据复制（其中只有一次 CPU COPY）以及2次上下文切换。

那能不能把 CPU COPY 减少到没有呢？这样需要带有 scatter/gather的sendfile方式了。

带有 scatter/gather 的 sendfile方式

Linux 2.4 内核进行了优化，提供了带有 scatter/gather 的 sendfile 操作，这个操作可以把最后一次 CPU COPY 去除。其原理就是在内核空间 Read BUffer 和 Socket Buffer 不做数据复制，而是将 Read Buffer 的内存地址、偏移量记录到相应的 Socket Buffer 中，这样就不需要复制。其本质和虚拟内存的解决方法思路一致，就是内存地址的记录。

下图展示了scatter/gather 的 sendfile 的原理：

scatter/gather 的 sendfile 只有两次数据复制（都是 DMA COPY）及 2 次上下文切换。CUP COPY 已经完全没有。不过这一种收集复制功能是需要硬件及驱动程序支持的。

splice 方式

splice 调用和sendfile 非常相似，用户应用程序必须拥有两个已经打开的文件描述符，一个表示输入设备，一个表示输出设备。与sendfile不同的是，splice允许任意两个文件互相连接，而并不只是文件与socket进行数据传输。对于从一个文件描述符发送数据到socket这种特例来说，一直都是使用sendfile系统调用，而splice一直以来就只是一种机制，它并不仅限于sendfile的功能。也就是说 sendfile 是 splice 的一个子集。

在 Linux 2.6.17 版本引入了 splice，而在 Linux 2.6.23 版本中， sendfile 机制的实现已经没有了，但是其 API 及相应的功能还在，只不过 API 及相应的功能是利用了 splice 机制来实现的。

和 sendfile 不同的是，splice 不需要硬件支持。

总结

无论是传统的 I/O 方式，还是引入了零拷贝之后，2 次 DMA copy是都少不了的。因为两次 DMA 都是依赖硬件完成的。所以，所谓的零拷贝，都是为了减少 CPU copy 及减少了上下文的切换。
下图展示了各种零拷贝技术的对比图：

到此这篇关于零拷贝原理以及java实现的文章就介绍到这了,更多相关零拷贝原理及java实现内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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