1、摘要
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。
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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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、零拷贝示例
通过网络把一个文件从client传到server：
1 /**
2 * disk-nic零拷贝
3 */
4 class ZerocopyServer {
5 ServerSocketChannel listener = null;
6
7 protected void mySetup() {
8 InetSocketAddress listenAddr = new InetSocketAddress(9026);
9
10 try {
11 listener = ServerSocketChannel.open();
12 ServerSocket ss = listener.socket();
13 ss.setReuseAddress(true);
14 ss.bind(listenAddr);
15 System.out.println("监听的端口:" + listenAddr.toString());
16 } catch (IOException e) {
17 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());
18 e.printStackTrace();
19 }
20
21 }
22
23 public static void main(String[] args) {
24 ZerocopyServer dns = new ZerocopyServer();
25 dns.mySetup();
26 dns.readData();
27 }
28
29 private void readData() {
30 ByteBuffer dst = ByteBuffer.allocate(4096);
31 try {
32 while (true) {
33 SocketChannel conn = listener.accept();
34 System.out.println("创建的连接: " + conn);
35 conn.configureBlocking(true);
36 int nread = 0;
37 while (nread != -1) {
38 try {
39 nread = conn.read(dst);
40 } catch (IOException e) {
41 e.printStackTrace();
42 nread = -1;
43 }
44 dst.rewind();
45 }
46 }
47 } catch (IOException e) {
48 e.printStackTrace();
49 }
50 }
51 }
52
53 class ZerocopyClient {
54 public static void main(String[] args) throws IOException {
55 ZerocopyClient sfc = new ZerocopyClient();
56 sfc.testSendfile();
57 }
58
59 public void testSendfile() throws IOException {
60 String host = "localhost";
61 int port = 9026;
62 SocketAddress sad = new InetSocketAddress(host, port);
63 SocketChannel sc = SocketChannel.open();
64 sc.connect(sad);
65 sc.configureBlocking(true);
66
67 String fname = "src/main/java/zerocopy/test.data";
68 FileChannel fc = new FileInputStream(fname).getChannel();
69 long start = System.nanoTime();
70 long nsent = 0, curnset = 0;
71 curnset = fc.transferTo(0, fc.size(), sc);
72 System.out.println("发送的总字节数:" + curnset + " 耗时(ns):" + (System.nanoTime() - start));
73 try {
74 sc.close();
75 fc.close();
76 } catch (IOException e) {
77 System.out.println(e);
78 }
79 }
80 }
文件到文件的零拷贝：
1 /**
2 * disk-disk零拷贝
3 */
4 class ZerocopyFile {
5 @SuppressWarnings("resource")
6 public static void transferToDemo(String from, String to) throws IOException {
7 FileChannel fromChannel = new RandomAccessFile(from, "rw").getChannel();
8 FileChannel toChannel = new RandomAccessFile(to, "rw").getChannel();
9
10 long position = 0;
11 long count = fromChannel.size();
12
13 fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);
14
15 fromChannel.close();
16 toChannel.close();
17 }
18
19 @SuppressWarnings("resource")
20 public static void transferFromDemo(String from, String to) throws IOException {
21 FileChannel fromChannel = new FileInputStream(from).getChannel();
22 FileChannel toChannel = new FileOutputStream(to).getChannel();
23
24 long position = 0;
25 long count = fromChannel.size();
26
27 toChannel.transferFrom(fromChannel, position, count);
28
29 fromChannel.close();
30 toChannel.close();
31 }
32
33 public static void main(String[] args) throws IOException {
34 String from = "src/main/java/zerocopy/1.data";
35 String to = "src/main/java/zerocopy/2.data";
36 // transferToDemo(from,to);
37 transferFromDemo(from, to);
38 }
39 }
6、参考资料
https://my.oschina.net/cloudcoder/blog/299944