Netty、Kafka 中的零拷貝技術(shù)到底有多牛?
前言
I/O概念
Java零拷貝
Netty零拷貝
其他零拷貝
總結(jié)
前言
從字面意思理解就是數(shù)據(jù)不需要來回的拷貝，大大提升了系統(tǒng)的性能；這個詞我們也經(jīng)常在java nio，netty，kafka，RocketMQ等框架中聽到，經(jīng)常作為其提升性能的一大亮點；下面從I/O的幾個概念開始，進而在分析零拷貝。
I/O概念
1.緩沖區(qū)
緩沖區(qū)是所有I/O的基礎(chǔ)，I/O講的無非就是把數(shù)據(jù)移進或移出緩沖區(qū)；進程執(zhí)行I/O操作，就是向操作系統(tǒng)發(fā)出請求，讓它要么把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)排干(寫)，要么填充緩沖區(qū)(讀)；下面看一個java進程發(fā)起read請求加載數(shù)據(jù)大致的流程圖：
進程發(fā)起read請求之后，內(nèi)核接收到read請求之后，會先檢查內(nèi)核空間中是否已經(jīng)存在進程所需要的數(shù)據(jù)，如果已經(jīng)存在，則直接把數(shù)據(jù)copy給進程的緩沖區(qū)；如果沒有內(nèi)核隨即向磁盤控制器發(fā)出命令，要求從磁盤讀取數(shù)據(jù)，磁盤控制器把數(shù)據(jù)直接寫入內(nèi)核read緩沖區(qū)，這一步通過DMA完成；
接下來就是內(nèi)核將數(shù)據(jù)copy到進程的緩沖區(qū)；如果進程發(fā)起write請求，同樣需要把用戶緩沖區(qū)里面的數(shù)據(jù)copy到內(nèi)核的socket緩沖區(qū)里面，然后再通過DMA把數(shù)據(jù)copy到網(wǎng)卡中，發(fā)送出去；
你可能覺得這樣挺浪費空間的，每次都需要把內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間中，所以零拷貝的出現(xiàn)就是為了解決這種問題的；關(guān)于零拷貝提供了兩種方式分別是：mmap+write方式，sendfile方式；
2.虛擬內(nèi)存
所有現(xiàn)代操作系統(tǒng)都使用虛擬內(nèi)存，使用虛擬的地址取代物理地址，這樣做的好處是：
1.一個以上的虛擬地址可以指向同一個物理內(nèi)存地址， 2.虛擬內(nèi)存空間可大于實際可用的物理地址；利用第一條特性可以把內(nèi)核空間地址和用戶空間的虛擬地址映射到同一個物理地址，這樣DMA就可以填充對內(nèi)核和用戶空間進程同時可見的緩沖區(qū)了，大致如下圖所示：
省去了內(nèi)核與用戶空間的往來拷貝，java也利用操作系統(tǒng)的此特性來提升性能，下面重點看看java對零拷貝都有哪些支持。
3.mmap+write方式
使用mmap+write方式代替原來的read+write方式，mmap是一種內(nèi)存映射文件的方法，即將一個文件或者其它對象映射到進程的地址空間，實現(xiàn)文件磁盤地址和進程虛擬地址空間中一段虛擬地址的一一對映關(guān)系；這樣就可以省掉原來內(nèi)核read緩沖區(qū)copy數(shù)據(jù)到用戶緩沖區(qū)，但是還是需要內(nèi)核read緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)copy到內(nèi)核socket緩沖區(qū)，大致如下圖所示：
4.sendfile方式
sendfile系統(tǒng)調(diào)用在內(nèi)核版本2.1中被引入，目的是簡化通過網(wǎng)絡(luò)在兩個通道之間進行的數(shù)據(jù)傳輸過程。sendfile系統(tǒng)調(diào)用的引入，不僅減少了數(shù)據(jù)復(fù)制，還減少了上下文切換的次數(shù)，大致如下圖所示：
數(shù)據(jù)傳送只發(fā)生在內(nèi)核空間，所以減少了一次上下文切換；但是還是存在一次copy，能不能把這一次copy也省略掉，Linux2.4內(nèi)核中做了改進，將Kernel buffer中對應(yīng)的數(shù)據(jù)描述信息（內(nèi)存地址，偏移量）記錄到相應(yīng)的socket緩沖區(qū)當(dāng)中，這樣連內(nèi)核空間中的一次cpu copy也省掉了；
Java零拷貝
1.MappedByteBuffer
java nio提供的FileChannel提供了map()方法，該方法可以在一個打開的文件和MappedByteBuffer之間建立一個虛擬內(nèi)存映射，MappedByteBuffer繼承于ByteBuffer，類似于一個基于內(nèi)存的緩沖區(qū)，只不過該對象的數(shù)據(jù)元素存儲在磁盤的一個文件中；
調(diào)用get()方法會從磁盤中獲取數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)反映該文件當(dāng)前的內(nèi)容，調(diào)用put()方法會更新磁盤上的文件，并且對文件做的修改對其他閱讀者也是可見的；下面看一個簡單的讀取實例，然后在對MappedByteBuffer進行分析：
public?class?MappedByteBufferTest?{
????public?static?void?main(String[]?args)?throws?Exception?{
????????File?file?=?new?File("D://db.txt");
????????long?len?=?file.length();
????????byte[]?ds?=?new?byte[(int)?len];
????????MappedByteBuffer?mappedByteBuffer?=?new?FileInputStream(file).getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,?0,
????????????????len);
????????for?(int?offset?=?0;?offset?????????????byte?b?=?mappedByteBuffer.get();
????????????ds[offset]?=?b;
????????}
????????Scanner?scan?=?new?Scanner(new?ByteArrayInputStream(ds)).useDelimiter("?");
????????while?(scan.hasNext())?{
????????????System.out.print(scan.next()?+?"?");
????????}
????}
}
主要通過FileChannel提供的map()來實現(xiàn)映射，map()方法如下：
????public?abstract?MappedByteBuffer?map(MapMode?mode,
?????????????????????????????????????????long?position,?long?size)
????????throws?IOException;
分別提供了三個參數(shù)，MapMode，Position和size；分別表示：MapMode：映射的模式，可選項包括：READ_ONLY，READ_WRITE，PRIVATE；Position：從哪個位置開始映射，字節(jié)數(shù)的位置；Size：從position開始向后多少個字節(jié)；
重點看一下MapMode，請兩個分別表示只讀和可讀可寫，當(dāng)然請求的映射模式受到Filechannel對象的訪問權(quán)限限制，如果在一個沒有讀權(quán)限的文件上啟用READ_ONLY，將拋出NonReadableChannelException；PRIVATE模式表示寫時拷貝的映射，意味著通過put()方法所做的任何修改都會導(dǎo)致產(chǎn)生一個私有的數(shù)據(jù)拷貝并且該拷貝中的數(shù)據(jù)只有MappedByteBuffer實例可以看到；
該過程不會對底層文件做任何修改，而且一旦緩沖區(qū)被施以垃圾收集動作（garbage collected），那些修改都會丟失；大致瀏覽一下map()方法的源碼：
????public?MappedByteBuffer?map(MapMode?mode,?long?position,?long?size)
????????throws?IOException
????{
????????????...省略...
????????????int?pagePosition?=?(int)(position?%?allocationGranularity);
????????????long?mapPosition?=?position?-?pagePosition;
????????????long?mapSize?=?size?+?pagePosition;
????????????try?{
????????????????//?If?no?exception?was?thrown?from?map0,?the?address?is?valid
????????????????addr?=?map0(imode,?mapPosition,?mapSize);
????????????}?catch?(OutOfMemoryError?x)?{
????????????????//?An?OutOfMemoryError?may?indicate?that?we've?exhausted?memory
????????????????//?so?force?gc?and?re-attempt?map
????????????????System.gc();
????????????????try?{
????????????????????Thread.sleep(100);
????????????????}?catch?(InterruptedException?y)?{
????????????????????Thread.currentThread().interrupt();
????????????????}
????????????????try?{
????????????????????addr?=?map0(imode,?mapPosition,?mapSize);
????????????????}?catch?(OutOfMemoryError?y)?{
????????????????????//?After?a?second?OOME,?fail
????????????????????throw?new?IOException("Map?failed",?y);
????????????????}
????????????}
????????????//?On?Windows,?and?potentially?other?platforms,?we?need?an?open
????????????//?file?descriptor?for?some?mapping?operations.
????????????FileDescriptor?mfd;
????????????try?{
????????????????mfd?=?nd.duplicateForMapping(fd);
????????????}?catch?(IOException?ioe)?{
????????????????unmap0(addr,?mapSize);
????????????????throw?ioe;
????????????}
????????????assert?(IOStatus.checkAll(addr));
????????????assert?(addr?%?allocationGranularity?==?0);
????????????int?isize?=?(int)size;
????????????Unmapper?um?=?new?Unmapper(addr,?mapSize,?isize,?mfd);
????????????if?((!writable)?||?(imode?==?MAP_RO))?{
????????????????return?Util.newMappedByteBufferR(isize,
?????????????????????????????????????????????????addr?+?pagePosition,
?????????????????????????????????????????????????mfd,
?????????????????????????????????????????????????um);
????????????}?else?{
????????????????return?Util.newMappedByteBuffer(isize,
????????????????????????????????????????????????addr?+?pagePosition,
????????????????????????????????????????????????mfd,
????????????????????????????????????????????????um);
????????????}
?????}
大致意思就是通過native方法獲取內(nèi)存映射的地址，如果失敗，手動gc再次映射；最后通過內(nèi)存映射的地址實例化出MappedByteBuffer，MappedByteBuffer本身是一個抽象類，其實這里真正實例話出來的是DirectByteBuffer；
2.DirectByteBuffer
DirectByteBuffer繼承于MappedByteBuffer，從名字就可以猜測出開辟了一段直接的內(nèi)存，并不會占用jvm的內(nèi)存空間；
上一節(jié)中通過Filechannel映射出的MappedByteBuffer其實際也是DirectByteBuffer，當(dāng)然除了這種方式，也可以手動開辟一段空間：
ByteBuffer?directByteBuffer?=?ByteBuffer.allocateDirect(100);
如上開辟了100字節(jié)的直接內(nèi)存空間；
3.Channel-to-Channel傳輸
經(jīng)常需要從一個位置將文件傳輸?shù)搅硗庖粋€位置，F(xiàn)ileChannel提供了transferTo()方法用來提高傳輸?shù)男剩紫瓤匆粋€簡單的實例：
public?class?ChannelTransfer?{
????public?static?void?main(String[]?argv)?throws?Exception?{
????????String?files[]=new?String[1];
????????files[0]="D://db.txt";
????????catFiles(Channels.newChannel(System.out),?files);
????}
????private?static?void?catFiles(WritableByteChannel?target,?String[]?files)
????????????throws?Exception?{
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????FileInputStream?fis?=?new?FileInputStream(files[i]);
????????????FileChannel?channel?=?fis.getChannel();
????????????channel.transferTo(0,?channel.size(),?target);
????????????channel.close();
????????????fis.close();
????????}
????}
}
通過FileChannel的transferTo()方法將文件數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ystem.out通道，接口定義如下：
????public?abstract?long?transferTo(long?position,?long?count,
????????????????????????????????????WritableByteChannel?target)
????????throws?IOException;
幾個參數(shù)也比較好理解，分別是開始傳輸?shù)奈恢茫瑐鬏數(shù)淖止?jié)數(shù)，以及目標(biāo)通道；transferTo()允許將一個通道交叉連接到另一個通道，而不需要一個中間緩沖區(qū)來傳遞數(shù)據(jù)；
注：這里不需要中間緩沖區(qū)有兩層意思：第一層不需要用戶空間緩沖區(qū)來拷貝內(nèi)核緩沖區(qū)，另外一層兩個通道都有自己的內(nèi)核緩沖區(qū)，兩個內(nèi)核緩沖區(qū)也可以做到無需拷貝數(shù)據(jù)；
Netty零拷貝
netty提供了零拷貝的buffer，在傳輸數(shù)據(jù)時，最終處理的數(shù)據(jù)會需要對單個傳輸?shù)膱笪模M行組合和拆分，Nio原生的ByteBuffer無法做到，netty通過提供的Composite(組合)和Slice(拆分)兩種buffer來實現(xiàn)零拷貝；看下面一張圖會比較清晰：
TCP層HTTP報文被分成了兩個ChannelBuffer，這兩個Buffer對我們上層的邏輯(HTTP處理)是沒有意義的。
但是兩個ChannelBuffer被組合起來，就成為了一個有意義的HTTP報文，這個報文對應(yīng)的ChannelBuffer，才是能稱之為”Message”的東西，這里用到了一個詞”Virtual Buffer”。可以看一下netty提供的CompositeChannelBuffer源碼：
public?class?CompositeChannelBuffer?extends?AbstractChannelBuffer?{
????private?final?ByteOrder?order;
????private?ChannelBuffer[]?components;
????private?int[]?indices;
????private?int?lastAccessedComponentId;
????private?final?boolean?gathering;
????public?byte?getByte(int?index)?{
????????int?componentId?=?componentId(index);
????????return?components[componentId].getByte(index?-?indices[componentId]);
????}
????...省略...
components用來保存的就是所有接收到的buffer，indices記錄每個buffer的起始位置，lastAccessedComponentId記錄上一次訪問的ComponentId；CompositeChannelBuffer并不會開辟新的內(nèi)存并直接復(fù)制所有ChannelBuffer內(nèi)容，而是直接保存了所有ChannelBuffer的引用，并在子ChannelBuffer里進行讀寫，實現(xiàn)了零拷貝。
其他零拷貝
RocketMQ的消息采用順序?qū)懙絚ommitlog文件，然后利用consume queue文件作為索引；RocketMQ采用零拷貝mmap+write的方式來回應(yīng)Consumer的請求；同樣kafka中存在大量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)持久化到磁盤和磁盤文件通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的過程，kafka使用了sendfile零拷貝方式；
總結(jié)
零拷貝如果簡單用java里面對象的概率來理解的話，其實就是使用的都是對象的引用，每個引用對象的地方對其改變就都能改變此對象，永遠只存在一份對象。
-END- 我是武哥，最后給大家免費分享我寫的 10 萬字 Spring Boot 學(xué)習(xí)筆記（帶完整目錄）以及對應(yīng)的源碼。這是我之前在 CSDN 開的一門課，所以筆記非常詳細完整，我準(zhǔn)備將資料分享出來給大家免費學(xué)習(xí)，相信大家看完一定會有所收獲（下面有下載方式）。
可以看出，我當(dāng)時備課非常詳細，目錄非常完整，讀者可以手把手跟著筆記，結(jié)合源代碼來學(xué)習(xí)。現(xiàn)在免費分享出來，有需要的讀者可以下載學(xué)習(xí)，就在我下面的公眾號Java禿頭哥里回復(fù)：筆記，就行。
如有文章對你有幫助，
在看和轉(zhuǎn)發(fā)是對我最大的支持！
關(guān)注Java禿頭哥
只有禿頭才能更強
點贊是最大的支持?
