6.NIO与零拷贝

基本介绍：

1.零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开
2.零拷贝是哦那个操作系统角度来看的，是没有CPU拷贝
3.在java程序中，常用的零拷贝有 mmap (内存映射) 和 sendFile
DMA：直接内存拷贝（不使用CPU）

场景：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。

传统文件IO

1.很明显发生了4次拷贝
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，这个拷贝是通过 DMA 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，于是应用程序就可以使用这部分数据了，这个拷贝是由 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，这个过程依然由 CPU 完成的。
第四次拷贝，把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到协议栈里，这个过程又是由 DMA 完成的。
2.发生了4次用户上下文切换，因为发生了两个系统调用read和write。一个系统调用对应两次上下文切换，所以上下文切换次数在一般情况下只可能是偶数。
想要优化文件传输的性能只有两个方向 1.减少上下文切换次数 2.减少数据拷贝次数 因为这两个操作是最耗时的

mmap

read()系统调用的过程中会把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，为了减少这一步开销，我们可以用mmap()替换read()系统调用函数。mmap()系统调用函数会直接把内核缓冲区里的数据映射到用户空间，这样，操作系统内核与用户空间共享缓冲区，就不需要再进行任何的数据拷贝操作。

总的来说mmap减少了一次数据拷贝，总共4次上下文切换，3次数据拷贝

sendFile

Linux2.1版本提供了sendFile()函数，其基本原理如下：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到 SocketBuffer

总的来说有2次上下文切换，3次数据拷贝。

sendFile再优化

Linux2.4版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到 Socketbuffer的操作，直接拷贝到协议栈，从而再一次减少了数据拷贝

mmap 和 sendFile的区别

1.mmap适合小数据量读写，森的File适合大文件传输
2.mmap需要4次上线文切换，三次数据拷贝；sendFile需要三次上下文切换，最少两次数据拷贝
3.sendFile 可用利用DMA方式，减少CPU拷贝，mmap则不能（必须从内核拷贝到Socket缓冲区）

零拷贝的再次理解

1.我们说零拷贝，是从操作系统的角度来说的，因为内核缓冲区之间，没有数据是重复的（只有kernel buffer有一份数据）
2.零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的CPU缓存伪共享以及无CPU校验和计算

零拷贝案例 — transferTo

//服务端
public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(7001);
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(address);
        //创建buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4096);
        while (true) {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            int readCount = 0;
            while (readCount != -1) {
                try {
                    readCount = socketChannel.read(buffer);
                } catch (Exception e) {
                    break;
                }
                buffer.rewind(); //倒带
                //buffer.clear();
            }
        }
    }
}

//客户端
public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 7001));
        String fileName = "f:\\1.txt";
        //得到文件channel
        FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName);
        FileChannel fileChannel = fis.getChannel();
        long start = System.currentTimeMillis();
        //零拷贝  windows系统一次最多8MB
        //transferTo底层使用零拷贝
        long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);
        System.out.println("总字节数 = " + transferCount);
        System.out.println("time:" + (System.currentTimeMillis() - start));
        fileChannel.close();
    }
}