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Netty学习笔记 3.11 NIO与零拷贝

程序员文章站 2022-07-10 19:08:56
Netty学习笔记 3.11 NIO与零拷贝零拷贝基本介绍零拷贝是网络编程的关键,很多性能优化都离不开。在 Java 程序中,常用的零拷贝有 mmap(内存映射) 和 sendFile。那么,他们在 OS 里,到底是怎么样的一个的设计?我们分析 mmap 和 sendFile 这两个零拷贝另外我们看下NIO 中如何使用零拷贝传统IO数据读写Java 传统 IO 和 网络编程的一段代码//定义一个File类型的file为test.txtFile file = new File("test....

Netty学习笔记 3.11 NIO与零拷贝

零拷贝基本介绍

零拷贝是网络编程的关键,很多性能优化都离不开。

在 Java 程序中,常用的零拷贝有 mmap(内存映射) 和 sendFile。那么,他们在 OS 里,到底是怎么样的一个的设计?我们分析 mmap 和 sendFile 这两个零拷贝

另外我们看下NIO 中如何使用零拷贝

传统IO数据读写

Java 传统 IO 和 网络编程的一段代码
Netty学习笔记 3.11 NIO与零拷贝
Netty学习笔记 3.11 NIO与零拷贝

//定义一个File类型的file为test.txt
File file = new File("test.txt");
//规定模式R RW RWD RWS
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
//arr为缓冲数组
byte[] arr = new byte[(int) file.length()];
//读取文件
raf.read(arr);

Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
socket.getOutputStream().write(arr);

传统IO

Netty学习笔记 3.11 NIO与零拷贝
DMA: direct
memory access
直接内存拷贝(不使用CPU)

mmap 优化

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,在进行网络传输时,就可以减少内核空间到用户控件的拷贝次数。如下图
mmap示意图
Netty学习笔记 3.11 NIO与零拷贝

sendFile 优化

Linux 2.1 版本 提供了 sendFile 函数,其基本原理如下: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,就减少了一次上下文切换
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 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。具体如下图和小结:

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
lenght , offset , 消耗低,可以忽略

示意图和小结

提示:零拷贝从操作系统角度,是没有cpu 拷贝
Netty学习笔记 3.11 NIO与零拷贝

零拷贝的再次理解

我们说零拷贝,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,还能带来其他的性能优势,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。

mmap 和 sendFile 的区别

mmap 适合小数据量读写,sendFile 适合大文件传输。

mmap 需要 4 次上下文切换,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 可以利用 DMA 方式,减少 CPU 拷贝,mmap 则不能(必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区)。

NIO 零拷贝案例

案例要求:
使用传统的IO 方法传递一个大文件

使用NIO 零拷贝方式传递(transferTo)一个大文件

看看两种传递方式耗时时间分别是多少

package com.atguigu.nio.zerocopy;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

//服务器
public class NewIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(7001);

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();

        serverSocket.bind(address);

        //创建buffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);

        while (true) {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

            int readcount = 0;
            while (-1 != readcount) {
                try {

                    readcount = socketChannel.read(byteBuffer);

                }catch (Exception ex) {
                   // ex.printStackTrace();
                    break;
                }
                //
                byteBuffer.rewind(); //倒带 position = 0 mark 作废
            }
        }
    }
}

package com.atguigu.nio.zerocopy;

import java.io.FileInputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NewIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7001));
        String filename = "protoc-3.6.1-win32.zip";

        //得到一个文件channel
        FileChannel fileChannel = new FileInputStream(filename).getChannel();

        //准备发送
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        //在linux下一个transferTo 方法就可以完成传输
        //在windows 下 一次调用 transferTo 只能发送8m , 就需要分段传输文件, 而且要主要
        //传输时的位置 =》 课后思考...
        //transferTo 底层使用到零拷贝
        long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);

        System.out.println("发送的总的字节数 =" + transferCount + " 耗时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));

        //关闭
        fileChannel.close();

    }
}

本文地址:https://blog.csdn.net/zyzy123321/article/details/107599420