【Netty】Netty的零拷贝原理与应用

IO中的零拷贝

内存的用户空间和内核空间

内存中有用户空间提供给用户调用

内存中内核空间给操作系统的指令使用

DMA 直接存储访问

DMA:直接存储访问，即不会经过CPU的运算，直接由DMA总线进行拷贝

当我们执行read(new byte[10])时，发送的调用过程

上下文切换

是指CPU执行用户进程执行时处于用户态，当用户进程调用系统函数时，CPU中断用户执行，切换为内核态，执行系统指令。

普通的文件传输方式

普通的方式需要4次上下文切换、2次DMA拷贝、2次CPU运算拷贝

内存映射(MMAP)方式

MMAP的方式就在CPU拷贝上做了一次优化，把内核的内存空间进行映射，映射到内存的用户空间上，这样对用户空间的操作实际是在对内核空间做操作。

Linux的sendFile()优化

Linux2.1的方式

sendFile()为Linux2.1后增加的系统函数，sendfile系统调用的引入，不仅减少了数据复制，还减少了上下文切换的次数

Linux2.4的方式

这还不是最后效果呢，Linux为了消除内核产生的数据冗余，就是CPU拷贝会产生一些数据副本，提出了一个可以在多块内存空间发拷贝给网卡，所以需要网卡支持聚合操作特性。这个特性意味着待发送的数据可以不用存在地址连续的内存空间中，可以分散存放。

具体做法是在内核版本2.4中，socket缓冲区描述符结构发生了改动，以适应聚合操作的要求——这就是Linux中所谓的"零拷贝“。这种方式不仅减少了多个上下文切换，而且消除了数据冗余。

所以需要提升是2个前提的

支持聚合操作的硬件可以从多个内存位置收集数据，从而消除另一个副本。
Linux对socket的缓冲区描述符进行改动，以支持聚合操作

NIO中的零拷贝

内存

堆内存

在NIO中

ByteBuffer heapBuffer = ByteBuffer.allocate(n);

在Netty中

ByteBuf heapBuf = Unpooled.buffer(n);

特点：

优点：在用户态使用声明和访问的时候速度更快
缺点：在数据传输到外部时，要进行用户空间到内核空间的一次CPU运算拷贝，

堆外内存

通过mmap的方式声明堆外内存

在NIO中

ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(n);

在Netty中

ByteBuf directBuf = Unpooled.buffer(n);

特点：

优点：数据传输到外部时，不需要进行用户空间到内核空间的拷贝
缺点：声明和访问会慢一点

文件传输

sendFile方式

FileChannel channel = new RandomAccessFile(file_name, "rw").getChannel();
FileChannel copyChannel = new RandomAccessFile(copy_name, "rw").getChannel();
copyChannel.transferFrom(channel, 0, channel.size());
channel.close();
copyChannel.close();

mmap方式

FileChannel channel = new RandomAccessFile(file_name, "rw").getChannel();
FileChannel copyChannel = new RandomAccessFile(copy_name, "rw").getChannel();
MappedByteBuffer mapped = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, channel.size());
copyChannel.write(mapped);
copyChannel.transferFrom(channel, 0, channel.size());
channel.close();
copyChannel.close();

Netty中的零拷贝

内存:

和NIO一样的，Netty也有2种内存：

ByteBuf directBuf = Unpooled.directBuffer(1024);
ByteBuf heapBuf = Unpooled.buffer(1024);

通过debug窗口可以查看heapBuf和directBuf最明显的区别就是有一个数组，数组是存储在堆中的。

文件传输

在Netty中既能通过mmap的方式，也能通过transfer(sendFile)的方式传输文件。

sendFile方式

Netty中提供了FileRegion实现零拷贝传输文件的，底层就是调用了sendFile，在应用层就是以transfer的字眼出现。

 RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(fileName, "rw");
 FileRegion fileRegion = new DefaultFileRegion(file.getChannel(),0,file.length());
 ctx.writeAndFlush(fileRegion);

mmap方式

 RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(fileName, "rw"); 
 MappedByteBuffer map = file.getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, file.length());
 ByteBuf byteBuf = Unpooled.wrappedBuffer(map);
 ctx.writeAndFlush(byteBuf);