IO与零拷贝

零拷贝基本介绍

零拷贝时网络编程的一个关键优化点
在Java程序中，常用的零拷贝又mmap（内存映射）和sendFile。那么在OS中的设计时如何，我们需分析mmap和sendFile对比
最后通过案例分析

用户进程与操作系统关系

我们先看一张图解释“用户进程和操作系统的关系”
如上计算机系统运行时候的简化说明，在操作系统中，有用户空间，内核空间，
- 运行在操作系统傻姑娘的进程大多是用户进程，运行在用户空间，在资源管理器里面可以看得到
- 吧操作系统运行的空间成为系统空间
为何划分用户进程和系统进程，我们需要先解释内核态（Kernel mode）和用户态（user mode），内核态可以访问系统资源，比如：
- 处理器CPU
- 输入输出IO，包括硬盘，内存，终端等
- 进程管理
- 内存
- 设备：键盘鼠标啥的
- 等
以上资源都是用户进程无法直接访问。只能通过操作系统去访问，所以也罢操作系统提供的这些功能称为“系统调用”，我们文件读写，和终端控制都是通过内核进行的。

用户进程缓冲区

按照以上的设计，用户进程访问系统资源需要切换到内核态，这对于的一下特殊的内存环境，必须在系统调用之前建立好，而在系统调用结束后，CPU会从内核模式切换到用户模式，而且对照又必须回复成用户进程的上下文，这种切换就会有大量的耗时。
因此我们在程序读取文件的时候，会先申请一块内存，成为buffer，每次调用read读取指定字节长度的数据，写入buffer。之后的程序都从buffer中获取数据。当buffer用完后，在进行下一次调用，填充buffer。
所以说，用户缓冲区目的时为了减少系统调用次数，从而减低操作系统在用户态和核心态切换的时间。如下图对比

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内核缓冲区

内核也有自己的缓冲区
当用户进程要从磁盘读数据，内核一般步直接读磁盘，而是将CIO缓冲区中数据复制到进程缓冲区
单如果内核缓冲区中没用数据，内核会吧对数据块的请求加入到请求队列，然后吧进程挂起，为其他进程提供服务。
等数据一句读取到内核缓冲区时候，内核缓冲区中数据读取到用户进程，才会通知进程。
此处read是吧数据从高内核缓冲区复制到进程缓冲区。write是吧进程缓冲区复制到内核缓冲区。
因此内核缓冲区是为了在OS级别，提高磁盘IO的效率，优化磁盘读写操作。

传统IO模型内存拷贝

流程如下：
- DMA拷贝，从磁盘到内核，direct memory access 直接内存拷贝不使用CPU
- CPU将内核buffer 中的数据拷贝到用户buffer
- 接着通过socket传递，还是user buffer 拷贝到内核中的socket buffer
- 最后从内核socket buffer 到引擎，就是对应的协议比如TCP/IP
如上流传中
- 状态切换3 次
- 拷贝4次

mmap优化

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mmap优化通过内存映射的方式，将文件映射到内核缓冲区，同时用户空间可以贡献内核空间的数据，这样，在进行网络传输的时候，减少了内核空间到用户空间的拷贝
mmap的优化中
- 状态切换3次
- 数据拷贝3次比传统IO的形式少了一次拷贝

sendFile 优化

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Linux 2.1版本提供了sendFile函数，基本原理如上图，数据根本不进过用户态，直接从高内核缓冲区到SocketBuffer，同时由于和用户态没关系，减少了一次上下文切换
sendFile的优化中
- 上下文切换2次比mmap还少了一次上下文切换
- 数据拷贝3 次与mmap一样

Linux 2.4 的sendFile

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linux 在2.4 版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到Socketbuffer的操作，直接拷贝到协议栈，从而再次减少了一次数据拷贝
入上图中，其实只有一次CPU拷贝， kernel buffer —> socket buffer ，但是拷贝的信息不多，比如length，offset 等消耗低可以忽略
优化后的sendFile
- 上下文切换2次
- 数据拷贝 2 次比2.1版本的sendFile 还少一次拷贝

零拷贝的理解

零拷贝从操作系统角度看是没用CPU拷贝，而不是一次拷贝都没有，可见在以上几个IO优化中mmap， 2.1版本的sendFile， 2.4版本的sendFile中，只有2.4版本的sendFile实现正在意义上的零拷贝
从操作系统角度看，内核缓冲区之间没有数据是重复的（只有kernel buffer 一份数据），以上kernel buffer 到 socket buffer的复制都是在内核中，他们是共享的一块内存，只是同步数据的数据同步了一个offset和length
零拷贝不仅带来更少的数据复制，还带来了其他性能的优势，例如更少的上下文切换，更少的CPU缓存伪共享以及无CPU校验和计算

mmap和 sendFile的区别

mmap 适合小数据量的读写， sendFile适合大文件的传输
mmap需要3次上下文切换，3次拷贝，sendFile需要 2次上下文切换，2次拷贝
sendFile 可以利用DMA的方式减少CPU的拷贝，mmap不能，他必须从内核拷贝到Socket buffer

NIO零拷贝的DEMO

*** @author liaojiamin* @Date:Created in 18:36 2022/8/16*/
public class NIOFileChannelTransferFormZeroCopy {private static final String filePath = "E:\\learn\\问题汇总\\MYSQL.md";private static final String filePathResult = "E:\\learn\\问题汇总\\MYSQL_1.md";public static void main(String[] args) throws IOException {FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(filePath);FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(filePathResult);FileChannel inputFileChannel = fileInputStream.getChannel();FileChannel outputFileChannel = fileOutputStream.getChannel();//从目标通道中复制数据到当前通道
//        outputFileChannel.transferFrom(inputFileChannel, 0, inputFileChannel.size());//把数据从当前通道复制给目标通道inputFileChannel.transferTo(0, inputFileChannel.size(), outputFileChannel);inputFileChannel.close();outputFileChannel.close();fileInputStream.close();fileOutputStream.close();}
}