零拷贝(Zero-copy)技术是一种计算机操作系统中用于提高数据传输效率的优化策略。在传统的数据传输过程中,需要将数据从一个缓冲区拷贝到另一个缓冲区,然后再传输给目标。这涉及到多次的 CPU 和内存之间的数据拷贝操作,会消耗 CPU 的时间和内存带宽。而零拷贝技术通过直接共享数据的内存地址,避免了中间的拷贝过程,从而提高了数据传输的效率。

1.传统 IO 执行流程

要搞明白零拷贝技术就要先搞清楚传统 IO 的执行流程,传统的 IO 的执行流程如下:

1.1 用户态和内核态

操作系统有用户态和内核态之分,这是因为计算机体系结构中的操作系统设计了两个不同的执行环境,以提供不同的功能和特权级别。

  • 用户态(User Mode) 是指应用程序运行时的执行环境。在用户态下,应用程序只能访问受限资源,如应用程序自身的内存空间、CPU 寄存器等,并且不能直接访问操作系统的底层资源和硬件设备。
  • 内核态(Kernel Mode) 是指操作系统内核运行时的执行环境。在内核态下,操作系统具有更高的权限,可以直接访问系统的硬件和底层资源,如 CPU、内存、设备驱动程序等。

1.2 DMA

DMA(Direct Memory Access,直接内存访问)技术,绕过 CPU,直接在内存和外设之间进行数据传输。这样可以减少 CPU 的参与,提高数据传输的效率。

2.零拷贝技术的实现

零拷贝技术可以利用 Linux 下的 MMap、sendFile 等手段来实现,使得数据能够直接从磁盘映射到内核缓冲区,然后通过 DMA 传输到网卡缓存,整个过程中 CPU 只负责管理和调度,而无需执行实际的数据复制指令。

2.1 MMap

MMap(Memory Map)是 Linux 操作系统中提供的一种将文件映射到进程地址空间的一种机制,通过 MMap 进程可以像访问内存一样访问文件,而无需显式的复制操作。

使用 MMap 可以把 IO 执行流程优化成以下执行步骤:

传统的 IO 需要四次拷贝和四次上下文(用户态和内核态)切换,而 MMap 只需要三次拷贝和四次上下文切换,从而能够提升程序整体的执行效率,并且节省了程序的内存空间。

2.2 senFile 方法

在 Linux 操作系统中 sendFile() 是一个系统调用函数,用于高效地将文件数据从内核空间直接传输到网络套接字(Socket)上,从而实现零拷贝技术。这个函数的主要目的是减少 CPU 上下文切换以及内存复制操作,提高文件传输性能。

使用 sendFile() 可以把 IO 执行流程优化成以下执行步骤:

3.哪些地方用到了零拷贝技术?

在 Java 中,以下几个地方使用了零拷贝技术:

  1. NIO(New I/O)通道:java.nio.channels.FileChannel 提供了 transferTo() 和 transferFrom() 方法,可以直接将数据从一个通道传输到另一个通道,例如从文件通道直接传输到 Socket 通道,整个过程无需将数据复制到用户空间缓冲区,从而实现了零拷贝。
  2. Socket Direct Buffer:在 JDK 1.4 及更高版本中,Java NIO 支持使用直接缓冲区(DirectBuffer),这类缓冲区是在系统堆外分配的,可以直接由网卡硬件进行 DMA 操作,减少数据在用户态与内核态之间复制次数 ,提高网络数据发送效率。
  3. Apache Kafka 或者 Netty 等高性能框架:这些框架在底层实现上通常会利用 Java NIO 的上述特性来优化数据传输,如 Kafka 生产者和消费者在传输消息时会用到零拷贝技术以提升性能。

小结

使用零拷贝技术可以减少 CPU 拷贝,及减少了上下文的切换带来的性能开销,提高了程序的整体执行效率,它们的区别对比如下表格所示:

CPU 拷贝(次数)DMA 拷贝(次数)上下文切换(次数)
传统 IO224
MMap124
sendFile()122

课后思考

无论是传统 IO,还是零拷贝,其中两次 DMA 拷贝都不能省略,这是为什么?零拷贝技术除了 MMap 和 sendFile() 之外,还有没有其他的技术实现?


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