Java零拷贝

1、摘要

零拷贝的“零”是指用户态和内核态间copy数据的次数为零。

传统的数据copy（文件到文件、client到server等）涉及到四次用户态内核态切换、四次copy。四次copy中，两次在用户态和内核态间copy需要CPU参与、两次在内核态与IO设备间copy为DMA方式不需要CPU参与。零拷贝避免了用户态和内核态间的copy、减少了两次用户态内核态间的切换。

2、介绍

java 的zero copy多在网络应用程序中使用。Java的libaries在linux和unix中支持zero copy，关键的api是java.nio.channel.FileChannel的transferTo()，transferFrom()方法。我们可以用这两个方法来把bytes直接从调用它的channel传输到另一个writable byte channel，中间不会使data经过应用程序，以便提高数据转移的效率。

许多web应用都会向用户提供大量的静态内容，这意味着有很多data从硬盘读出之后，会原封不动的通过socket传输给用户。这种操作看起来可能不会怎么消耗CPU，但是实际上它是低效的：kernal把数据从disk读出来，然后把它传输给user级的application，然后application再次把同样的内容再传回给处于kernal级的socket。这种场景下，application实际上只是作为一种低效的中间介质，用来把disk file的data传给socket。

data每次穿过user-kernel boundary，都会被copy，这会消耗cpu，并且占用RAM的带宽。幸运的是，你可以用一种叫做Zero-Copy的技术来去掉这些无谓的 copy。应用程序用zero copy来请求kernel直接把disk的data传输给socket，而不是通过应用程序传输。Zero copy大大提高了应用程序的性能，并且减少了kernel和user模式的上下文切换

使用kernel buffer做中介(而不是直接把data传到user buffer中)看起来比较低效(多了一次copy)。然而实际上kernel buffer是用来提高性能的。在进行读操作的时候，kernel buffer起到了预读cache的作用。当写请求的data size比kernel buffer的size小的时候，这能够显著的提升性能。在进行写操作时，kernel buffer的存在可以使得写请求完全异步。

悲剧的是，当请求的data size远大于kernel buffer size的时候，这个方法本身变成了性能的瓶颈。因为data需要在disk，kernel buffer，user buffer之间拷贝很多次(每次写满整个buffer)。

而Zero copy正是通过消除这些多余的data copy来提升性能。

3、传统方式及涉及到的上下文切换

通过网络把一个文件传输给另一个程序，在OS的内部，这个copy操作要经历四次user mode和kernel mode之间的上下文切换，甚至连数据都被拷贝了四次，如下图：

具体步骤如下：

1. read() 调用导致一次从user mode到kernel mode的上下文切换。在内部调用了sys_read() 来从文件中读取data。第一次copy由DMA (direct memory access)完成，将文件内容从disk读出，存储在kernel的buffer中。
2. 然后请求的数据被copy到user buffer中，此时read()成功返回。调用的返回触发了第二次context switch: 从kernel到user。至此，数据存储在user的buffer中。
3. send() Socket call 带来了第三次context switch，这次是从user mode到kernel mode。同时，也发生了第三次copy：把data放到了kernel adress space中。当然，这次的kernel buffer和第一步的buffer是不同的buffer。
4. 最终 send() system call 返回了，同时也造成了第四次context switch。同时第四次copy发生，DMA egine将data从kernel buffer拷贝到protocol engine中。第四次copy是独立而且异步的。

4、zero copy方式及涉及的上下文转换

在linux 2.4及以上版本的内核中(如linux 6或centos 6以上的版本），开发者修改了socket buffer descriptor，使网卡支持 gather operation，通过kernel进一步减少数据的拷贝操作。这个方法不仅减少了context switch，还消除了和CPU有关的数据拷贝。user层面的使用方法没有变，但是内部原理却发生了变化：

transferTo()方法使得文件内容被copy到了kernel buffer，这一动作由DMA engine完成。 没有data被copy到socket buffer。取而代之的是socket buffer被追加了一些descriptor的信息，包括data的位置和长度。然后DMA engine直接把data从kernel buffer传输到protocol engine，这样就消除了唯一的一次需要占用CPU的拷贝操作。

5、Java NIO 零拷贝示例

NIO中的FileChannel拥有transferTo和transferFrom两个方法，可直接把FileChannel中的数据拷贝到另外一个Channel，或直接把另外一个Channel中的数据拷贝到FileChannel。该接口常被用于高效的网络/文件的数据传输和大文件拷贝。在操作系统支持的情况下，通过该方法传输数据并不需要将源数据从内核态拷贝到用户态，再从用户态拷贝到目标通道的内核态，同时也避免了两次用户态和内核态间的上下文切换，也即使用了“零拷贝”，所以其性能一般高于Java IO中提供的方法。

5.1、通过网络把一个文件从client传到server：

/**
 * disk-nic零拷贝
 */
class ZerocopyServer {
    ServerSocketChannel listener = null;

    protected void mySetup() {
        InetSocketAddress listenAddr = new InetSocketAddress(9026);

        try {
            listener = ServerSocketChannel.open();
            ServerSocket ss = listener.socket();
            ss.setReuseAddress(true);
            ss.bind(listenAddr);
            System.out.println("监听的端口:" + listenAddr.toString());
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("端口绑定失败 : " + listenAddr.toString() + " 端口可能已经被使用,出错原因: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        ZerocopyServer dns = new ZerocopyServer();
        dns.mySetup();
        dns.readData();
    }

    private void readData() {
        ByteBuffer dst = ByteBuffer.allocate(4096);
        try {
            while (true) {
                SocketChannel conn = listener.accept();
                System.out.println("创建的连接: " + conn);
                conn.configureBlocking(true);
                int nread = 0;
                while (nread != -1) {
                    try {
                        nread = conn.read(dst);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        nread = -1;
                    }
                    dst.rewind();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class ZerocopyClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ZerocopyClient sfc = new ZerocopyClient();
        sfc.testSendfile();
    }

    public void testSendfile() throws IOException {
        String host = "localhost";
        int port = 9026;
        SocketAddress sad = new InetSocketAddress(host, port);
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(sad);
        sc.configureBlocking(true);

        String fname = "src/main/java/zerocopy/test.data";
        FileChannel fc = new FileInputStream(fname).getChannel();
        long start = System.nanoTime();
        long nsent = 0, curnset = 0;
        curnset = fc.transferTo(0, fc.size(), sc);
        System.out.println("发送的总字节数:" + curnset + " 耗时(ns):" + (System.nanoTime() - start));
        try {
            sc.close();
            fc.close();
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

5.2、文件到文件的零拷贝：

/**
 * disk-disk零拷贝
 */
class ZerocopyFile {
    @SuppressWarnings("resource")
    public static void transferToDemo(String from, String to) throws IOException {
        FileChannel fromChannel = new RandomAccessFile(from, "rw").getChannel();
        FileChannel toChannel = new RandomAccessFile(to, "rw").getChannel();

        long position = 0;
        long count = fromChannel.size();

        fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);

        fromChannel.close();
        toChannel.close();
    }

    @SuppressWarnings("resource")
    public static void transferFromDemo(String from, String to) throws IOException {
        FileChannel fromChannel = new FileInputStream(from).getChannel();
        FileChannel toChannel = new FileOutputStream(to).getChannel();

        long position = 0;
        long count = fromChannel.size();

        toChannel.transferFrom(fromChannel, position, count);

        fromChannel.close();
        toChannel.close();
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String from = "src/main/java/zerocopy/1.data";
        String to = "src/main/java/zerocopy/2.data";
        // transferToDemo(from,to);
        transferFromDemo(from, to);
    }
}

6、参考资料

https://my.oschina.net/cloudcoder/blog/299944