前言
"零拷贝"这三个字，想必大家多多少少都有听过吧，这个技术在各种开源组件中都应用了，比方kafka,rocketmq,netty,nginx等等开源框架都在其中援用了这项技术。所以明天想和大家分享一下有对于零拷贝的一些常识。
计算机中数据传输
在介绍零拷贝之前我想说下在计算机系统中数据传输的形式。数据传输零碎的倒退，为了写这一部分又祭出了我尘封多年的计算机组成原理:
晚期阶段:
扩散连贯，串行工作，程序查问。 在这个阶段，CPU就像个保姆一样，须要手把手的把数据从I/O接口从读出而后再送给主存。
这个阶段具体流程是:
- CPU被动启动I/O设施
- 而后CPU始终问I/O设施老铁你筹备好了吗，留神这里是始终询问。
- 如果I/O设施通知了CPU说:我筹备好了。CPU就从I/O接口中读数据。
- 而后CPU又持续把这个数据传给主存，就像快递员一样。
这种效率很低数据传输过程始终占据着CPU，CPU不能做其余更有意义的事。
接口模块和DMA阶段
这一部分介绍的也是咱们前面具体
接口模块
在冯诺依曼结构中，每个部件之间均有独自连线，不仅线多，而且导致扩大I/O设施很不容易，咱们下面的晚期阶段就是这个体系，叫作扩散连贯。扩大一个I/O设施得连贯很多线。所以引入了总线连贯形式，将多个设施连贯在同一组总线上，形成设施之间的公共传输通道。
这个也是当初咱们家用电脑或者一些小型计算器的数据交换构造。
在这种模式下数据交换采纳程序中断的形式，咱们下面晓得咱们启动I/O设施之后始终在轮询问I/O设施是否筹备好，要是把这个阶段去掉了就好了，程序中断很好的实现了咱们的夙愿:
1，CPU被动启动I/O设施。
2，CPU启动之后不须要再问I/O，开始做其余事，相似异步化。
3，I/O筹备好了之后，通过总线中断通知CPU我曾经筹备好了。
4，CPU进行读取数据，传输给主存中。
DMA
尽管下面的形式尽管进步了CPU的利用率，然而在中断的时候CPU一样是被占用的，为了进一步解决CPU占用，又引入了DMA形式，在DMA形式中，主存和I/O设施之间有一条数据通路，这下主存和I/O设施之间替换数据时，就不须要再次中断CPU。
一般来说咱们只须要关注DMA和中断两种即可，上面介绍的都是用来适宜大型计算机的一些，这里只说简略的过一下:
具备通道构造的阶段
在小型计算机中采纳DMA形式能够实现高速I/O设施与主机之间组成数据的替换，但在大中型计算机中，I/O配置繁多，数据传送频繁，若采纳DMA形式会呈现一系列问题。
每台I/O设施都配置专用额DMA接口，不仅减少了硬件老本，而且解决DMA和CPU拜访抵触问题，会使管制变得十分复杂。
CPU须要对泛滥的DMA接口进行治理，同样会影响工作效率。
所以引入了通道，通道用来治理I/O设施以及主存与I/O设施之间替换信息的部件，能够视为一种具备非凡性能的处理器。它是从属于CPU的一个专用处理器，CPU不直接参与治理，故进步了CPU的资源利用率
具备I/O处理机的阶段
输入输出零碎倒退到第四阶段，呈现了I/O处理机。I/O处理机又称为外围处理机，它独立于主机工作，既能够实现I/O通道要实现的I/O管制，又实现格局解决，纠错等操作。具备I/O处理机的输入零碎与CPU工作的并行度更高，这阐明I.O系统对主机来说具备更大的独立性。
小结
咱们能够看到数据传输进化的指标是始终在缩小CPU占有，进步CPU的资源利用率。
数据拷贝
先介绍一下明天咱们的需要，在磁盘中有个文件，当初须要通过网络传输进来。 如果是你应该怎么做？通过下面的一些介绍，置信你心中应该有些想法了吧。
传统拷贝
如果咱们用Java代码实现的话用咱们会有如下的的实现:伪代码参考如下:
`public static void main(String[] args) {
Socket socket = null; File file = new File("test.file"); byte[] b = new byte[(int) file.length()]; try { InputStream in = new FileInputStream(file); readFully(in, b); socket.getOutputStream().write(b); } catch (Exception e) { }}private static boolean readFully(InputStream in, byte[] b) { int size = b.length; int offset = 0; int len; for (; size > 0;) { try { len = in.read(b, offset, size); if (len == -1) { return false; } offset += len; size -= len; } catch (Exception ex) { return false; } } return true;}`
这是咱们传统的拷贝形式具体的数据流转图如下，PS：这里不思考Java中传输数据时须要先将堆中的数据拷贝到间接内存中。
能够看见咱们总管须要经验四个阶段，2次DMA，2次CPU中断，总共四次拷贝，有四次上下文切换，并且会占用两次CPU。
1，CPU发指令给I/O设施的DMA，由DMA将咱们磁盘中的数据传输到内核空间的内核buffer。
2，第二阶段触发咱们的CPU中断，CPU开始将将数据从kernel buffer拷贝至咱们的利用缓存
3，CPU将数据从利用缓存拷贝到内核中的socket buffer.
4，DMA将数据从socket buffer中的数据拷贝到网卡缓存。
长处:开发成本低，适宜一些对性能要求不高的，比方一些什么管理系统这种我感觉就应该够了
毛病:屡次上下文切换，占用屡次CPU，性能比拟低。
sendFile实现零拷贝
下面是零拷贝呢？在wiki中的定位:通常是指计算机在网络上发送文件时，不须要将文件内容拷贝到用户空间（User Space）而间接在内核空间（Kernel Space）中传输到网络的形式。
在java NIO中FileChannal.transferTo()实现了操作系统的sendFile,咱们能够同上面伪代码实现下面需要:
`public static void main(String[] args) {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); FileChannel fileChannel = new FileInputStream("test").getChannel(); fileChannel.transferTo(0,fileChannel.size(),socketChannel);}`
咱们通过java.nio中的channel代替了咱们下面的socket和fileInputStream，从而实现了咱们的零拷贝。
下面具体过程如下:
1，调用sendfie(),CPU下发指令叫DMA将磁盘数据拷贝到内核buffer中。
2，DMA拷贝实现收回中断请求，进行CPU拷贝，拷贝到socket buffer中。sendFile调用实现返回。 3.DMA将socket buffer拷贝至网卡buffer。
能够看见咱们基本没有把数据复制到咱们的利用缓存中，所以这种形式就是零拷贝。然而这种形式仍然很蛋疼，尽管缩小到了只有三次数据拷贝，然而还是须要CPU中断复制数据。为啥呢？因为DMA须要晓得内存地址我能力发送数据啊。所以在Linux2.4内核中做了改良，将Kernel buffer中对应的数据形容信息（内存地址，偏移量）记录到相应的socket缓冲区当中。 最终造成了上面的过程：
这种形式让CPU全程不参加拷贝，因而效率是最好的。
在第三方开源框架中Netty,RocketMQ，kafka中都有相似的代码，大家如果感兴趣能够下来自行搜寻。
mmap映射
下面咱们提到了零拷贝的实现，然而咱们只能将数据一成不变的发给用户，并不能自己应用。于是Linux提供的一种拜访磁盘文件的非凡形式，能够将内存中某块地址空间和咱们要指定的磁盘文件相关联，从而把咱们对这块内存的拜访转换为对磁盘文件的拜访，这种技术称为内存映射（Memory Mapping）。 咱们通过这种技术将文件间接映射到用户态的内存地址，这样对文件的操作不再是write/read,而是间接对内存地址的操作。
在Java中依附MappedByteBuffer进行mmap映射。
最初
自此，零拷贝的神秘面纱也被揭盖，零拷贝只是为了缩小CPU的占用，让CPU做更多真正业务上的事。通过这篇文章，大家能够本人下来看看Netty是怎么做零拷贝的置信将会有更加粗浅的印象。
因为作者自己程度不够，如果有什么谬误，还请斧正。如果下面问题有什么疑难的话能够退出我的Java老手学习群：3907814 ，来和我一起探讨吧，关注即可收费支付海量最新java学习材料视频，以及最新面试材料。