關(guān)于零拷貝的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)
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作者 |?ksfzhaohui
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(gè)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(diǎn)；下面從I/O的幾個(gè)概念開始，進(jìn)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(jìn)或移出緩沖區(qū)；進(jìn)程執(zhí)行I/O操作，就是向操作系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)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(gè)java進(jìn)程發(fā)起read請(qǐng)求加載數(shù)據(jù)大致的流程圖：
進(jìn)程發(fā)起read請(qǐng)求之后，內(nèi)核接收到read請(qǐng)求之后，會(huì)先檢查內(nèi)核空間中是否已經(jīng)存在進(jìn)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(jìn)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(jìn)程的緩沖區(qū)；如果進(jìn)程發(fā)起write請(qǐng)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(fèi)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(gè)以上的虛擬地址可以指向同一個(gè)物理內(nèi)存地址， 2.虛擬內(nèi)存空間可大于實(shí)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(gè)物理地址，這樣DMA就可以填充對(duì)內(nèi)核和用戶空間進(jìn)程同時(shí)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(diǎn)看看java對(duì)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(gè)文件或者其它對(duì)象映射到進(jìn)程的地址空間，實(shí)現(xiàn)文件磁盤地址和進(jìn)程虛擬地址空間中一段虛擬地址的一一對(duì)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(gè)通道之間進(jìn)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(jìn)，將Kernel buffer中對(duì)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(gè)打開的文件和MappedByteBuffer之間建立一個(gè)虛擬內(nèi)存映射，MappedByteBuffer繼承于ByteBuffer，類似于一個(gè)基于內(nèi)存的緩沖區(qū)，只不過該對(duì)象的數(shù)據(jù)元素存儲(chǔ)在磁盤的一個(gè)文件中；調(diào)用get()方法會(huì)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(huì)更新磁盤上的文件，并且對(duì)文件做的修改對(duì)其他閱讀者也是可見的；下面看一個(gè)簡單的讀取實(shí)例，然后在對(duì)MappedByteBuffer進(jìn)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(shí)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(gè)參數(shù)，MapMode，Position和size；分別表示：MapMode：映射的模式，可選項(xiàng)包括：READ_ONLY，READ_WRITE，PRIVATE；Position：從哪個(gè)位置開始映射，字節(jié)數(shù)的位置；Size：從position開始向后多少個(gè)字節(jié)；
重點(diǎn)看一下MapMode，請(qǐng)兩個(gè)分別表示只讀和可讀可寫，當(dāng)然請(qǐng)求的映射模式受到Filechannel對(duì)象的訪問權(quán)限限制，如果在一個(gè)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(shí)拷貝的映射，意味著通過put()方法所做的任何修改都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)私有的數(shù)據(jù)拷貝并且該拷貝中的數(shù)據(jù)只有MappedByteBuffer實(shí)例可以看到；該過程不會(huì)對(duì)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(dòng)作（garbage collected），那些修改都會(huì)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(dòng)gc再次映射；最后通過內(nèi)存映射的地址實(shí)例化出MappedByteBuffer，MappedByteBuffer本身是一個(gè)抽象類，其實(shí)這里真正實(shí)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(huì)占用jvm的內(nèi)存空間；上一節(jié)中通過Filechannel映射出的MappedByteBuffer其實(shí)際也是DirectByteBuffer，當(dāng)然除了這種方式，也可以手動(dòng)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(gè)位置將文件傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)位置，F(xiàn)ileChannel提供了transferTo()方法用來提高傳輸?shù)男剩紫瓤匆粋€(gè)簡單的實(shí)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(gè)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(gè)通道交叉連接到另一個(gè)通道，而不需要一個(gè)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(gè)通道都有自己的內(nèi)核緩沖區(qū)，兩個(gè)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(shí)，最終處理的數(shù)據(jù)會(huì)需要對(duì)單個(gè)傳輸?shù)膱?bào)文，進(jìn)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(shí)現(xiàn)零拷貝；看下面一張圖會(huì)比較清晰：
TCP層HTTP報(bào)文被分成了兩個(gè)ChannelBuffer，這兩個(gè)Buffer對(duì)我們上層的邏輯(HTTP處理)是沒有意義的。但是兩個(gè)ChannelBuffer被組合起來，就成為了一個(gè)有意義的HTTP報(bào)文，這個(gè)報(bào)文對(duì)應(yīng)的ChannelBuffer，才是能稱之為”Message”的東西，這里用到了一個(gè)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(gè)buffer的起始位置，lastAccessedComponentId記錄上一次訪問的ComponentId；CompositeChannelBuffer并不會(huì)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(jìn)行讀寫，實(shí)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(qǐng)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(duì)象的概率來理解的話，其實(shí)就是使用的都是對(duì)象的引用，每個(gè)引用對(duì)象的地方對(duì)其改變就都能改變此對(duì)象，永遠(yuǎn)只存在一份對(duì)象。
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