NIO与零拷贝

1. 零拷贝的基本介绍

• 零拷贝是网络编程的关键，很多性能的优化都离不开。
• 在Java程序中，常用的零拷贝有mmap(内存映射)喝sendFile。

2. 传统的IO模型与零拷贝对比

2.1 传统的模型图

其中 DMA: direct memory access 直接内存拷贝（不适用CPU）

2.2 mmap 优化

• mmap示意图
  
  mmap 通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样在进行网络传输的时候，就可以减少内核空间到用户空间的拷贝次数。

2.3 sendFile 优化

• 示意图
  
  Linux2.1 版本提供了sendFile函数，其原理是：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到Socket Buffer ,同时，由于和用户态完全无关，就减少了上下文切换。
• 提示
  零拷贝从操作系统的角度就是没有CPU拷贝。
• Linux在2.4的版本中做了修改，避免从内核缓冲区拷贝到Socket buffer的操作，直接拷贝到协议栈，从而再一次减少了数据拷贝。如下图：
  
  这里其实有一次CPU拷贝，kernel buffer->socket buffer,但是拷贝的信息很少，比如length ,offset, 消耗低，可以忽略。

2.4 mmap 和 sendFile 的区别

• mmap 适合小数据读写，sendFile适合大文件的读写。
• mmap需要4此上下文切换，3次数据拷贝；sendFile需要3次上下文切换，最少2次数据拷贝。
• sendFile 可以通过DMA方式，减少CPU拷贝，mmap则不能（必须从内核拷贝到Socket缓冲区）。

2.5 零拷贝的再次理解

• 零拷贝是从操作系统的角度来说的，因为内核缓冲区之间，没有数据是重复的（只有kernel buffer 有一份数据）
• 零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他性能优势，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。