面试刷题12:zero copy是怎么回事？

文件copy是java的io部分不可忽视的内容。

我是李福春，我在准备面试，今天的问题是：

zero-copy是怎么回事？

操作系统的空间划分为内核态空间， 用户态空间；

内核态空间相对操作系统具备更高的权限和优先级；

用户态空间即普通用户所处空间。

zero-copy指的使用类似java.nio的transforto方法进行文件copy,文件的copy直接从磁盘到内核态空间，不经过用户态空间，再写到磁盘，减少了io的消耗，避免了不必要的copy 和上下文切换，所以比较高效。

接下来对面试官可能扩展的问题进行一些拓展：

java的文件copy方式

java.io流式copy

package org.example.mianshi.filecopy;

import java.io.file;
import java.io.fileinputstream;
import java.io.fileoutputstream;
import java.io.ioexception;
import java.nio.file.files;

/**
 * 说明：传统的文件copy
 * @author carter
 * 创建时间： 2020年03月26日 9:32 上午
 **/

public class jiofilecopyapp {

    public static void main(string[] args) {

        final file d = new file("/data/appenvs/denv.properties");
        final file s = new file("/data/appenvs/env.properties");

        system.out.println("source file content :" + s.exists());
        system.out.println("target file content :" + d.exists());

        system.out.println("source content:");
        try {
            files.lines(s.topath()).foreach(system.out::println);
        } catch (ioexception e) {
            e.printstacktrace();
        }

        system.out.println("do file copy !");

        copy(s, d);

        system.out.println("target file content :" + d.exists());
        system.out.println("target content:");
        try {
            files.lines(d.topath()).foreach(system.out::println);
        } catch (ioexception e) {
            e.printstacktrace();
        }

    }

    private static void copy(file s, file d) {

        try (
                final fileinputstream fileinputstream = new fileinputstream(s);

                final fileoutputstream fileoutputstream = new fileoutputstream(d)
        ) {

            byte[] buffer = new byte[1024];
            int length;
            while ((length = fileinputstream.read(buffer)) > 0) {
                fileoutputstream.write(buffer, 0, length);
            }

        } catch (ioexception e) {
            e.printstacktrace();
        }

    }

}

代码可以运行；copy流程如下图：它不是zero-copy的，需要切换用户态空间和内核态空间，路径比较长，io消耗和上线文切换的消耗比较明显，这是比较低效的copy.

java.niochannel式copy

package org.example.mianshi.filecopy;

import java.io.file;
import java.io.fileinputstream;
import java.io.fileoutputstream;
import java.io.ioexception;
import java.nio.channels.filechannel;
import java.nio.file.files;

/**
 * 说明：传统的文件copy
 * @author carter
 * 创建时间： 2020年03月26日 9:32 上午
 **/

public class jniofilecopyapp {

    public static void main(string[] args) {

        final file d = new file("/data/appenvs/ndenv.properties");
        final file s = new file("/data/appenvs/env.properties");

        system.out.println(s.getabsolutepath() + "source file content :" + s.exists());
        system.out.println(d.getabsolutepath() +"target file content :" + d.exists());

        system.out.println("source content:");
        try {
            files.lines(s.topath()).foreach(system.out::println);
        } catch (ioexception e) {
            e.printstacktrace();
        }

        system.out.println("do file copy !");

        copy(s, d);

        system.out.println(d.getabsolutepath() +"target file content :" + d.exists());
        system.out.println("target content:");
        try {
            files.lines(d.topath()).foreach(system.out::println);
        } catch (ioexception e) {
            e.printstacktrace();
        }

    }

    private static void copy(file s, file d) {

        try (
                final filechannel sourcefilechannel = new fileinputstream(s).getchannel();

                final filechannel targetfilechannel = new fileoutputstream(d).getchannel()
        ) {

           for (long count= sourcefilechannel.size();count>0;){

               final long transferto = sourcefilechannel.transferto(sourcefilechannel.position(), count, targetfilechannel);

               count-=transferto;

           }

        } catch (ioexception e) {
            e.printstacktrace();
        }

    }

}

copy过程如下图：明显，不用经过用户态空间，是zero-copy,减少了io的消耗以及上下文切换，比较高效。

files工具类copy

package org.example.mianshi.filecopy;

import java.io.file;
import java.io.fileinputstream;
import java.io.fileoutputstream;
import java.io.ioexception;
import java.nio.file.copyoption;
import java.nio.file.files;
import java.nio.file.standardcopyoption;

/**
 * 说明：files的文件copy
 * @author carter
 * 创建时间： 2020年03月26日 9:32 上午
 **/

public class filesfilecopyapp {

    public static void main(string[] args) {

        final file d = new file("/data/appenvs/fenv.properties");
        final file s = new file("/data/appenvs/env.properties");

        system.out.println("source file content :" + s.exists());
        system.out.println("target file content :" + d.exists());

        system.out.println("source content:");
        try {
            files.lines(s.topath()).foreach(system.out::println);
        } catch (ioexception e) {
            e.printstacktrace();
        }

        system.out.println("do file copy !");

        copy(s, d);

        system.out.println("target file content :" + d.exists());
        system.out.println("target content:");
        try {
            files.lines(d.topath()).foreach(system.out::println);
        } catch (ioexception e) {
            e.printstacktrace();
        }

    }

    private static void copy(file s, file d) {

        try {
            files.copy(s.topath(),d.topath(), standardcopyoption.copy_attributes);
        } catch (ioexception e) {
            e.printstacktrace();
        }

    }

}

面试官一般喜欢刨根问底，那么来吧！贴一下源码：

 public static path copy(path source, path target, copyoption... options)
        throws ioexception
    {
        filesystemprovider provider = provider(source);
        if (provider(target) == provider) {
            // same provider
            provider.copy(source, target, options);
        } else {
            // different providers
            copymovehelper.copytoforeigntarget(source, target, options);
        }
        return target;
    }

底层通过spi,即serviceloader的方式加载不同文件系统的本地处理代码。

分类如下：

我们使用最多的unixfsprovider,实际上是 直接从 用户态空间copy到用户态空间，使用了本地方法内联加持优化，但是它不是zero-copy， 性能也不会太差。

如何提高io的效率

1， 使用缓存，减少io的操作次数；


2，使用zero-copy，即类似 java.nio的 transferto方法进行copy;


3, 减少传输过程中不必要的转换，比如编解码，最好直接二进制传输；

buffer

buffer的类层级图如下：

除了bool其他7个原生类型都有对应的buffer;

面试官如果问细节，先说4个属性， capacity, limit ,position, mark

再描述bytebuffer的读写流程。


然后是directbuffer,这个是直接操作堆外内存，比较高效。但是用好比较困难，除非是流媒体的行业，不会问的这么细，直接翻源码好好准备，问一般也是技术专家来问你了。

小结

本篇回答了什么是zero-copy,然后介绍了java体系实现文件copy的3中方式，（扩展的第三方库不算在内）；


然后简要介绍了如何提高io效率的三种方法，以及提高内存利用率的buffer做了系统级的介绍。


不啰嗦，可以快速通过下图条理化本篇内容，希望对你有所帮助。

原创不易，转载请注明出处。