什么是零拷贝
零拷贝是指计算机在执行IO操作的时候,CPU不需要将数据从一个存储区复制到另一个存储区,进而减少上下文切换以及CPU拷贝的时间,这是一种IO操作优化技术
零拷贝不是没有拷贝数据,而是减少用户态,内核态的切换次数和CPU拷贝次数,目前实现零拷贝的主要三种方式分别是:
- mmap + write
- sendfile
- 带有DMA收集拷贝功能的sendfile
mmap
虚拟内存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,从而减少数据拷贝次数,mmap技术就是利用了虚拟内存的这个特点,它将内核 中的读缓冲区与用户空间的缓冲区进行映射,所有的IO操作都在内核中完成
sendfile
sendfile是Linux2.1 版本之后内核引入的一个系统调用函数
sendfile表示在两个文件描述符之间传输数据,他是在操作系统内核中完成的,避免了数据从内核缓冲区和用户缓冲区之间的拷贝操作,因此可以用来实现零拷贝
在linux2.4版本之后,对sendfile进行了升级,引入了SG-DMA技术,可以直接从缓冲区中将数据读取到网卡,这样的话可以省去CPU拷贝
Java实现的零拷贝
mmap
在Java NIO 有一个ByteBuffer的子类MappedByteBuffer,这个类采用direct buffer 也就是内存映射的方式读写文件内容。这种方式直接调用系统底层的缓存,没有JVM和系统之间的复制操作,主要用户操作大文件
sendfile
FileChannel的transferTo()方法或者transferFrom()方法,底层就是sendfile()系统调用函数,实现了数据直接从内核的读缓冲区传输到套接字缓冲区,避免了用户态与内核态之间的数据拷贝
Netty的零拷贝
Netty的零拷贝主要体现在以下几个方面
- slice
- duplicate
- CompositeByteBuf
slice
log 工具类
public class ByteBufUtil {
// 打印
public static void log(ByteBuf buf) {
final int length = buf.readableBytes();
int rows = length >> 16 + (length % 15 == 0 ? 0 : 1) + 4;
StringBuilder str = new StringBuilder(rows * 80 * 2)
.append("read index: ").append(buf.readerIndex())
.append(" write index: ").append(buf.writerIndex())
.append(" capacity: ").append(buf.capacity())
.append(NEWLINE);
appendPrettyHexDump(str, buf);
System.out.println(str);
}
}
slice
对原始的ByteBuf进行切片成多个ByteBuf,切片后的ByteBuf并没有发生内存复制,还是使用原始的ByteBuf内存,但是切片后的ByteBuf各自有独立的read,write指针
注意:
- slice 不允许更改切片的容量,切片时设置的长度是多少就是多少,不允许扩容
- 当我们释放原始 ByteBuf 内存之后,切片后的ByteBuf就不能再访问了
测试:
- 首先创建一个ByteBuf,然后对其进行切片
- 更改某一个切片查看原始ByteBuf是否更改
- 原始数据跟着更改了说明内存地址没有发生改变
测试类
public static void main(String[] args) {
System.out.println(32 / 16);
System.out.println(32 >> 4);
System.out.println("------------------------");
// 创建ByteBuf
ByteBuf byteBuf = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
// 向 byteBuf 缓冲区写入数据
StringBuilder str = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
str.append("nx");
}
byteBuf.writeBytes(str.toString().getBytes());
// 打印当前 byteBuf
ByteBufUtil.log(byteBuf);
// 切片过程中并没有发生数据复制
final ByteBuf slice = byteBuf.slice(0, 5);
final ByteBuf slice1 = byteBuf.slice(5, 5);
// 打印第一个切片
ByteBufUtil.log(slice);
// 打印第二个切片
ByteBufUtil.log(slice1);
slice.setByte(0, 'a');
System.out.println("++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++");
// 打印第一个切片
ByteBufUtil.log(slice);
// 打印原始数组
ByteBufUtil.log(byteBuf);
}
额外知识补充
- / 等于 >>
- × 等于 <<