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

https://www.ibm.com/developerworks/linux/library/j-zerocopy/

http://blog.csdn.net/flyingqr/article/details/6942645