一、传统 IO 问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

  1. File f = new File("helloword/data.txt");
  2. RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");
  4. byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
  5. file.read(buf);
  7. Socket socket = ...;
  8. socket.getOutputStream().write(buf);

内部工作流程是这样的：

image.png

  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

    为什么不直接将设备的数据拷贝到用户空间？

    :::tips 这是因为，多个应用可能会复用设备。比如说如果有十个线程，都需要使用同一个设备的数据，那么我们将这个设备数据，拷贝到哪个用户空间呢？因为每个进程拥有的用户空间是不同的，相当于每个进程拥有的内存区域是不互相重叠。这就是为什么需要先拷贝到内核空间。
    还有一个重要的原因，我们不希望设备直接沟通用户空间，这是一种安全策略，设备直接沟通用户空间也是很危险的。因为多数的设备是经单线程的设计，多线程的访问，需要驱动程序承接。 :::

    二、NIO 优化 减少一次复制

    通过 DirectByteBuf

  • 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 (这块区域Java和操作系统都可以直接访问)

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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

三、进一步优化 减少一次用户态与内核态的切换 sendfile

底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法
java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

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  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

四、进一步优化（linux 2.4） 再减少一次复制 DMA Gather Copy

image.png

  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。所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是指不会拷贝数据到Java(JVM)内存中，零拷贝的优点有

  • 更少的用户态与内核态的切换
  • 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
  • 零拷贝适合小文件传输