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。

传统的数据复制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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

数据转移(data transfer): 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：

1. transferTo()方法使得文件内容被copy到了kernel buffer，这一动作由DMA engine完成。
2. 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。

代码样例：

展示通过网络把一个文件从client传到server的过程

package zerocopy;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.net.ServerSocket;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.ServerSocketChannel;import java.nio.channels.SocketChannel;public class TransferToServer {	ServerSocketChannel listener = null;	protected void mySetup() {		InetSocketAddress listenAddr = new InetSocketAddress(9026);		try {			listener = ServerSocketChannel.open();			ServerSocket ss = listener.socket();			ss.setReuseAddress(true);			ss.bind(listenAddr);			System.out.println("监听的端口:" + listenAddr.toString());		} catch (IOException e) {			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());			e.printStackTrace();		}	}	public static void main(String[] args) {		TransferToServer dns = new TransferToServer();		dns.mySetup();		dns.readData();	}	private void readData() {		ByteBuffer dst = ByteBuffer.allocate(4096);		try {			while (true) {				SocketChannel conn = listener.accept();				System.out.println("创建的连接: " + conn);				conn.configureBlocking(true);				int nread = 0;				while (nread != -1) {					try {						nread = conn.read(dst);					} catch (IOException e) {						e.printStackTrace();						nread = -1;					}					dst.rewind();				}			}		} catch (IOException e) {			e.printStackTrace();		}	}}

package zerocopy;import java.io.FileInputStream;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.net.SocketAddress;import java.nio.channels.FileChannel;import java.nio.channels.SocketChannel;public class TransferToClient {	public static void main(String[] args) throws IOException {		TransferToClient sfc = new TransferToClient();		sfc.testSendfile();	}	public void testSendfile() throws IOException {		String host = "localhost";		int port = 9026;		SocketAddress sad = new InetSocketAddress(host, port);		SocketChannel sc = SocketChannel.open();		sc.connect(sad);		sc.configureBlocking(true);		String fname = "src/main/java/zerocopy/test.data";		FileChannel fc = new FileInputStream(fname).getChannel();		long start = System.nanoTime();		long nsent = 0, curnset = 0;		curnset = fc.transferTo(0, fc.size(), sc);		System.out.println("发送的总字节数:" + curnset				+ " 耗时(ns):"				+ (System.nanoTime() - start));		try {			sc.close();			fc.close();		} catch (IOException e) {			System.out.println(e);		}	}}

其它zero copy的用法 

package zerocopy;import java.io.FileInputStream;import java.io.FileOutputStream;import java.io.IOException;import java.io.RandomAccessFile;import java.nio.channels.FileChannel;public class ZerocopyDemo {	@SuppressWarnings("resource")	public static void transferToDemo(String from, String to) throws IOException {		FileChannel fromChannel = new RandomAccessFile(from, "rw").getChannel();		FileChannel toChannel = new RandomAccessFile(to, "rw").getChannel();		long position = 0;		long count = fromChannel.size();		fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);				fromChannel.close();		toChannel.close();	}	@SuppressWarnings("resource")	public static void transferFromDemo(String from, String to)			throws IOException {		FileChannel fromChannel = new FileInputStream(from).getChannel();		FileChannel toChannel = new FileOutputStream(to).getChannel();		long position = 0;		long count = fromChannel.size();		toChannel.transferFrom(fromChannel, position, count);				fromChannel.close();		toChannel.close();	}		public static void main(String[] args) throws IOException {		String from="src/main/java/zerocopy/1.data";		String to="src/main/java/zerocopy/2.data";//		transferToDemo(from,to);		transferFromDemo(from,to);	}}

参考