零拷貝技術(shù)（Zero-Copy）是一個(gè)大家耳熟能詳?shù)募夹g(shù)名詞了，它主要用于提升 IO（Input & Output）的傳輸性能。

那么問(wèn)題來(lái)了，為什么零拷貝技術(shù)能提升 IO 性能？

一、零拷貝技術(shù)和性能

在傳統(tǒng)的 IO 操作中，當(dāng)我們需要讀取并傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，我們需要在用戶(hù)態(tài)（用戶(hù)空間）和內(nèi)核態(tài)（內(nèi)核空間）中進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，它的執(zhí)行流程如下：

圖片

從上述流程我們可以看出，在傳統(tǒng)的 IO 操作中，我們是需要 4 次拷貝和 4 次上下文切換（用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換）的。

而每次數(shù)據(jù)拷貝和上下文切換都有時(shí)間成本，會(huì)讓程序的執(zhí)行時(shí)間變成，所以零拷貝技術(shù)的出現(xiàn)就是為了減少數(shù)據(jù)的拷貝次數(shù)以及上下文的切換次數(shù)的。

1.1 什么是用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)？

操作系統(tǒng)有用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)之分，這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同的執(zhí)行環(huán)境，以提供不同的功能和特權(quán)級(jí)別。

• 用戶(hù)態(tài)（User Mode）是指應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)的執(zhí)行環(huán)境。在用戶(hù)態(tài)下，應(yīng)用程序只能訪(fǎng)問(wèn)受限資源，如應(yīng)用程序自身的內(nèi)存空間、CPU 寄存器等，并且不能直接訪(fǎng)問(wèn)操作系統(tǒng)的底層資源和硬件設(shè)備。
• 內(nèi)核態(tài)（Kernel Mode）是指操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行時(shí)的執(zhí)行環(huán)境。在內(nèi)核態(tài)下，操作系統(tǒng)具有更高的權(quán)限，可以直接訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)的硬件和底層資源，如 CPU、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等。

1.2 什么是DMA？

DMA（Direct Memory Access，直接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)）技術(shù)，繞過(guò) CPU，直接在內(nèi)存和外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這樣可以減少 CPU 的參與，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

二、Linux零拷貝技術(shù)

Linux 下實(shí)現(xiàn)零拷貝的主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)是 MMap、sendFile，它們的具體介紹如下。

2.1 MMap

MMap（Memory Map）是 Linux 操作系統(tǒng)中提供的一種將文件映射到進(jìn)程地址空間的一種機(jī)制，通過(guò) MMap 進(jìn)程可以像訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存一樣訪(fǎng)問(wèn)文件，而無(wú)需顯式的復(fù)制操作。

使用 MMap 可以把 IO 執(zhí)行流程優(yōu)化成以下執(zhí)行步驟：

圖片

傳統(tǒng)的 IO 需要四次拷貝和四次上下文（用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)）切換，而 MMap 只需要三次拷貝和四次上下文切換，從而能夠提升程序整體的執(zhí)行效率，并且節(jié)省了程序的內(nèi)存空間。

2.2 senFile 方法

在 Linux 操作系統(tǒng)中 sendFile() 是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，用于高效地將文件數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間直接傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)套接字（Socket）上，從而實(shí)現(xiàn)零拷貝技術(shù)。這個(gè)函數(shù)的主要目的是減少 CPU 上下文切換以及內(nèi)存復(fù)制操作，提高文件傳輸性能。

使用 sendFile() 可以把 IO 執(zhí)行流程優(yōu)化成以下執(zhí)行步驟：

圖片

三、Netty零拷貝技術(shù)

Netty 中的零拷貝和傳統(tǒng) Linux 的零拷貝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不太一樣，Netty 中的零拷貝技術(shù)主要是通過(guò)優(yōu)化用戶(hù)態(tài)的操作來(lái)提升 IO 的執(zhí)行速度，從而實(shí)現(xiàn)零拷貝的。

PS：所有可以提升 IO 執(zhí)行效率的操作或手段都可以稱(chēng)之為零拷貝技術(shù)。

Netty 中的零拷貝技術(shù)主要有以下 5 種實(shí)現(xiàn)：

1. 使用堆外內(nèi)存：避免 JVM 堆內(nèi)存到堆外內(nèi)存的數(shù)據(jù)拷貝，從而提升了 IO 的操作性能。
2. 使用 CompositeByteBuf 合并對(duì)象：可以組合多個(gè) Buffer 對(duì)象合并成一個(gè)邏輯上的對(duì)象，避免通過(guò)傳統(tǒng)內(nèi)存拷貝的方式將幾個(gè) Buffer 合并成一個(gè)大的 Buffer。
3. 通過(guò) Unpooled.wrappedBuffer 合并數(shù)據(jù)：可以將 byte 數(shù)組包裝成 ByteBuf 對(duì)象，包裝過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存拷貝。
4. 使用 ByteBuf.slice 共享對(duì)象：操作與 Unpooled.wrappedBuffer 相反，slice 操作可以將一個(gè) ByteBuf 對(duì)象切分成多個(gè) ByteBuf 對(duì)象，切分過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存拷貝，底層共享一個(gè) byte 數(shù)組的存儲(chǔ)空間。
5. 使用 FileRegion 實(shí)現(xiàn)零拷貝：FileRegion 底層封裝了 FileChannel#transferTo() 方法，可以將文件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)侥繕?biāo) Channel，避免內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶(hù)態(tài)緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)拷貝，這屬于操作系統(tǒng)級(jí)別的零拷貝。

它們的具體實(shí)現(xiàn)如下。

3.1 使用堆外內(nèi)存

正常情況下，JVM 需要將數(shù)據(jù)從 JVM 堆內(nèi)存拷貝到堆外內(nèi)存進(jìn)行業(yè)務(wù)執(zhí)行的，這是因?yàn)椋?/p>

1. 操作系統(tǒng)并不感知 JVM 的堆內(nèi)存，而且 JVM 的內(nèi)存布局與操作系統(tǒng)所分配的是不一樣的，操作系統(tǒng)并不會(huì)按照 JVM 的行為來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。
2. 同一個(gè)對(duì)象的內(nèi)存地址隨著 JVM GC 的執(zhí)行可能會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，例如 JVM GC 的過(guò)程中會(huì)通過(guò)壓縮來(lái)減少內(nèi)存碎片，這就涉及對(duì)象移動(dòng)的問(wèn)題了。

而 Netty 在進(jìn)行 I/O 操作時(shí)都是使用的堆外內(nèi)存，可以避免數(shù)據(jù)從 JVM 堆內(nèi)存到堆外內(nèi)存的拷貝。

3.2 使用CompositeByteBuf合并對(duì)象

CompositeByteBuf 可以理解為一個(gè)虛擬的 Buffer 對(duì)象，它是由多個(gè) ByteBuf 組合而成，但是在 CompositeByteBuf 內(nèi)部保存著每個(gè) ByteBuf 的引用關(guān)系，從邏輯上構(gòu)成一個(gè)整體。使用 CompositeByteBuf 我們可以合并兩個(gè) ByteBuf 對(duì)象，從而避免兩個(gè)對(duì)象合并時(shí)需要兩次 CPU 拷貝操作的問(wèn)題，在沒(méi)有使用 CompositeByteBuf 時(shí)，我們的操作是這樣的：

ByteBuf httpBuf = Unpooled.buffer(header.readableBytes() + body.readableBytes());
httpBuf.writeBytes(header);
httpBuf.writeBytes(body);

而實(shí)現(xiàn) header 和 body 這兩個(gè) ByteBuf 的合并，需要先初始化一個(gè)新的 httpBuf，然后再將 header 和 body 分別拷貝到新的 httpBuf。合并過(guò)程中涉及兩次 CPU 拷貝，這非常浪費(fèi)性能，所以我們就可以使用 CompositeByteBuf 了，它的使用如下：

CompositeByteBuf httpBuf = Unpooled.compositeBuffer();
httpBuf.addComponents(true, header, body);

CompositeByteBuf 通過(guò)調(diào)用 addComponents() 方法來(lái)添加多個(gè) ByteBuf，但是底層的 byte 數(shù)組是復(fù)用的，不會(huì)發(fā)生內(nèi)存拷貝。

3.3 通過(guò)Unpooled.wrappedBuffer合并數(shù)據(jù)

Unpooled.wrappedBuffer 的操作類(lèi)似，使用它可以將不同的數(shù)據(jù)源的一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)包裝成一個(gè)大的 ByteBuf 對(duì)象，其中數(shù)據(jù)源的類(lèi)型包括 byte[]、ByteBuf、ByteBuffer。包裝的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)拷貝操作，包裝后生成的 ByteBuf 對(duì)象和原始 ByteBuf 對(duì)象是共享底層的 byte 數(shù)組。

3.4 使用 ByteBuf.slice 共享對(duì)象

ByteBuf.slice 和 Unpooled.wrappedBuffer 的邏輯正好相反，ByteBuf.slice 是將一個(gè) ByteBuf 對(duì)象切分成多個(gè)共享同一個(gè)底層存儲(chǔ)的 ByteBuf 對(duì)象，從而避免對(duì)象分割時(shí)的數(shù)據(jù)拷貝，它的使用如下：

ByteBuf httpBuf = ...
ByteBuf header = httpBuf.slice(0, 6);
ByteBuf body = httpBuf.slice(6, 4);

3.5 使用 FileRegion 實(shí)現(xiàn)文件零拷貝

FileRegion 底層封裝了 FileChannel#transferTo() 方法，可以將文件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)侥繕?biāo) Channel，避免內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶(hù)態(tài)緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)拷貝，這屬于操作系統(tǒng)級(jí)別的零拷貝。

以下是 FileRegion 的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)類(lèi) DefaultFileRegion 的使用案例：

@Override
public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) throws Exception {
    RandomAccessFile raf = null;
    long length = -1;
    try {
        raf = new RandomAccessFile(msg, "r");
        length = raf.length();
    } catch (Exception e) {
        ctx.writeAndFlush("ERR: " + e.getClass().getSimpleName() + ": " + e.getMessage() + '\n');
        return;
    } finally {
        if (length < 0 && raf != null) {
            raf.close();
        }
    }
    ctx.write("OK: " + raf.length() + '\n');
    if (ctx.pipeline().get(SslHandler.class) == null) {
        // SSL not enabled - can use zero-copy file transfer.
        ctx.write(new DefaultFileRegion(raf.getChannel(), 0, length));
    } else {
        // SSL enabled - cannot use zero-copy file transfer.
        ctx.write(new ChunkedFile(raf));
    }
    ctx.writeAndFlush("\n");
}

從上述代碼可以看出，可以通過(guò) DefaultFileRegion 將文件內(nèi)容直接寫(xiě)入到 NioSocketChannel 中，從而避免了內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶(hù)態(tài)緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)拷貝。