我們總會在各種地方看到零拷貝，那零拷貝到底是個什么東西。

接下來，讓我們來理一理啊。

拷貝說的是計算機(jī)里的 I/O 操作，也就是數(shù)據(jù)的讀寫操作。計算機(jī)可是一個復(fù)雜的家伙，包括軟件和硬件兩大部分，軟件主要指操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。硬件那就多了，CPU、內(nèi)存、硬盤等等一大堆東西。

(資料圖片僅供參考)

這么復(fù)雜的設(shè)備要進(jìn)行讀寫操作，其中繁瑣和復(fù)雜程度可想而知。

傳統(tǒng)I/O的讀寫過程

如果要了解零拷貝，那就必須要知道一般情況下，計算機(jī)是如何讀寫數(shù)據(jù)的，我把這種情況稱為傳統(tǒng) I/O。

數(shù)據(jù)讀寫的發(fā)起者是計算機(jī)中的應(yīng)用程序，比如我們常用的瀏覽器、辦公軟件、音視頻軟件等。

而數(shù)據(jù)的來源呢，一般是硬盤、外部存儲設(shè)備或者是網(wǎng)絡(luò)套接字（也就是網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口+網(wǎng)卡的處理）。

過程本來是很復(fù)雜的，所以大學(xué)課程里要通過《操作系統(tǒng)》、《計算機(jī)組成原理》來專門講計算機(jī)的軟硬件。

簡化版讀操作流程

那么細(xì)的沒辦法講來，所以，我們把這個讀寫過程簡化一下，忽略大多數(shù)細(xì)節(jié)，只講流程。

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上圖是應(yīng)用程序進(jìn)行一次讀操作的過程。

應(yīng)用程序先發(fā)起讀操作，準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)了；內(nèi)核將數(shù)據(jù)從硬盤或外部存儲讀取到內(nèi)核緩沖區(qū)；內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)；應(yīng)用程序讀取用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工；詳細(xì)的讀寫操作流程

下面是一個更詳細(xì)的 I/O 讀寫過程。這個圖可好用極了，我會借助這個圖來厘清 I/O 操作的一些基礎(chǔ)但非常重要的概念。

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先看一下這個圖，上面紅粉色部分是讀操作，下面藍(lán)色部分是寫操作。

如果一下子看著有點兒迷糊的話，沒關(guān)系，看看下面幾個概念就清楚了。

應(yīng)用程序

就是安裝在操作系統(tǒng)上的各種應(yīng)用。

系統(tǒng)內(nèi)核

系統(tǒng)內(nèi)核是一些列計算機(jī)的核心資源的集合，不僅包括CPU、總線這些硬件設(shè)備，也包括進(jìn)程管理、文件管理、內(nèi)存管理、設(shè)備驅(qū)動、系統(tǒng)調(diào)用等一些列功能。

外部存儲

外部存儲就是指硬盤、U盤等外部存儲介質(zhì)。

內(nèi)核態(tài)內(nèi)核態(tài)是操作系統(tǒng)內(nèi)核運行的模式，當(dāng)操作系統(tǒng)內(nèi)核執(zhí)行特權(quán)指令時，處于內(nèi)核態(tài)。在內(nèi)核態(tài)下，操作系統(tǒng)內(nèi)核擁有最高權(quán)限，可以訪問計算機(jī)的所有硬件資源和敏感數(shù)據(jù)，執(zhí)行特權(quán)指令，控制系統(tǒng)的整體運行。內(nèi)核態(tài)提供了操作系統(tǒng)管理和控制計算機(jī)硬件的能力，它負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)調(diào)用、中斷、硬件異常等核心任務(wù)。用戶態(tài)

這里的用戶可以理解為應(yīng)用程序，這個用戶是對于計算機(jī)的內(nèi)核而言的，對于內(nèi)核來說，系統(tǒng)上的各種應(yīng)用程序會發(fā)出指令來調(diào)用內(nèi)核的資源，這時候，應(yīng)用程序就是內(nèi)核的用戶。

用戶態(tài)是應(yīng)用程序運行的模式，當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行普通的指令時，處于用戶態(tài)。在用戶態(tài)下，應(yīng)用程序只能訪問自己的內(nèi)存空間和受限的硬件資源，無法直接訪問操作系統(tǒng)的敏感數(shù)據(jù)或控制計算機(jī)的硬件設(shè)備。用戶態(tài)提供了一種安全的運行環(huán)境，確保應(yīng)用程序之間相互隔離，防止惡意程序?qū)ο到y(tǒng)造成影響。模式切換

計算機(jī)為了安全性考慮，區(qū)分了內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)，應(yīng)用程序不能直接調(diào)用內(nèi)核資源，必須要切換到內(nèi)核態(tài)之后，讓內(nèi)核來調(diào)用，內(nèi)核調(diào)用完資源，再返回給應(yīng)用程序，這個時候，系統(tǒng)在切換會用戶態(tài)，應(yīng)用程序在用戶態(tài)下才能處理數(shù)據(jù)。

上述過程其實一次讀和一次寫都分別發(fā)生了兩次模式切換。

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內(nèi)核緩沖區(qū)

內(nèi)核緩沖區(qū)指內(nèi)存中專門用來給內(nèi)核直接使用的內(nèi)存空間?？梢园阉斫鉃閼?yīng)用程序和外部存儲進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的一個中間介質(zhì)。

應(yīng)用程序想要讀外部數(shù)據(jù)，要從這里讀。應(yīng)用程序想要寫入外部存儲，要通過內(nèi)核緩沖區(qū)。

用戶緩沖區(qū)

用戶緩沖區(qū)可以理解為應(yīng)用程序可以直接讀寫的內(nèi)存空間。因為應(yīng)用程序沒法直接到內(nèi)核讀寫數(shù)據(jù)， 所以應(yīng)用程序想要處理數(shù)據(jù)，必須先通過用戶緩沖區(qū)。

磁盤緩沖區(qū)

磁盤緩沖區(qū)是計算機(jī)內(nèi)存中用于暫存從磁盤讀取的數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入磁盤之前的臨時存儲區(qū)域。它是一種優(yōu)化磁盤 I/O 操作的機(jī)制，通過利用內(nèi)存的快速訪問速度，減少對慢速磁盤的頻繁訪問，提高數(shù)據(jù)讀取和寫入的性能和效率。

PageCachePageCache 是 Linux 內(nèi)核對文件系統(tǒng)進(jìn)行緩存的一種機(jī)制。它使用空閑內(nèi)存來緩存從文件系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)塊，加速文件的讀取和寫入操作。當(dāng)應(yīng)用程序或進(jìn)程讀取文件時，數(shù)據(jù)會首先從文件系統(tǒng)讀取到 PageCache 中。如果之后再次讀取相同的數(shù)據(jù)，就可以直接從 PageCache 中獲取，避免了再次訪問文件系統(tǒng)。同樣，當(dāng)應(yīng)用程序或進(jìn)程將數(shù)據(jù)寫入文件時，數(shù)據(jù)會先暫存到 PageCache 中，然后由 Linux 內(nèi)核異步地將數(shù)據(jù)寫入磁盤，從而提高寫入操作的效率。再說數(shù)據(jù)讀寫操作流程

上面弄明白了這幾個概念后，再回過頭看一下那個流程圖，是不是就清楚多了。

讀操作首先應(yīng)用程序向內(nèi)核發(fā)起讀請求，這時候進(jìn)行一次模式切換了，從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)；內(nèi)核向外部存儲或網(wǎng)絡(luò)套接字發(fā)起讀操作；將數(shù)據(jù)寫入磁盤緩沖區(qū)；系統(tǒng)內(nèi)核將數(shù)據(jù)從磁盤緩沖區(qū)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，順便再將一份（或者一部分）拷貝到 PageCache；內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)，供應(yīng)用程序處理。此時又進(jìn)行一次模態(tài)切換，從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)；寫操作應(yīng)用程序向內(nèi)核發(fā)起寫請求，這時候進(jìn)行一次模式切換了，從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)；內(nèi)核將要寫入的數(shù)據(jù)從用戶緩沖區(qū)拷貝到 PageCache，同時將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)；然后內(nèi)核將數(shù)據(jù)寫入到磁盤緩沖區(qū)，從而寫入磁盤，或者直接寫入網(wǎng)絡(luò)套接字。瓶頸在哪里

但是傳統(tǒng)I/O有它的瓶頸，這才是零拷貝技術(shù)出現(xiàn)的緣由。瓶頸是啥呢，當(dāng)然是性能問題，太慢了。尤其是在高并發(fā)場景下，I/O性能經(jīng)常會卡脖子。

那是什么地方耗時了呢？

數(shù)據(jù)拷貝

在傳統(tǒng) I/O 中，數(shù)據(jù)的傳輸通常涉及多次數(shù)據(jù)拷貝。數(shù)據(jù)需要從應(yīng)用程序的用戶緩沖區(qū)復(fù)制到內(nèi)核緩沖區(qū)，然后再從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)。這些數(shù)據(jù)拷貝過程導(dǎo)致了多次內(nèi)存訪問和數(shù)據(jù)復(fù)制，消耗了大量的 CPU 時間和內(nèi)存帶寬。

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換

由于數(shù)據(jù)要經(jīng)過內(nèi)核緩沖區(qū)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間來回切換，切換過程中會有上下文的切換，如此一來，大大增加了處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和時間開銷。

每一次操作耗費的時間雖然很小，但是當(dāng)并發(fā)量高了以后，積少成多，也是不小的開銷。所以要提高性能、減少開銷就要從以上兩個問題下手了。

這時候，零拷貝技術(shù)就出來解決問題了。

什么是零拷貝

問題出來數(shù)據(jù)拷貝和模態(tài)切換上。

但既然是 I/O 操作，不可能沒有數(shù)據(jù)拷貝的，只能減少拷貝的次數(shù)，還有就是盡量將數(shù)據(jù)存儲在離應(yīng)用程序（用戶緩沖區(qū)）更近的地方。

而區(qū)分用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)有其他更重要的原因，不可能單純?yōu)榱?I/O 效率就改變這種設(shè)計吧。那也只能盡量減少切換的次數(shù)。

零拷貝的理想狀態(tài)就是操作數(shù)據(jù)不用拷貝，但是顯示情況下并不一定真的就是一次復(fù)制操作都沒有，而是盡量減少拷貝操作的次數(shù)。

要實現(xiàn)零拷貝，應(yīng)該從下面這三個方面入手：

盡量減少數(shù)據(jù)在各個存儲區(qū)域的復(fù)制操作，例如從磁盤緩沖區(qū)到內(nèi)核緩沖區(qū)等；盡量減少用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換次數(shù)及上下文切換；使用一些優(yōu)化手段，例如對需要操作的數(shù)據(jù)先緩存起來，內(nèi)核中的 PageCache 就是這個作用；實現(xiàn)零拷貝方案直接內(nèi)存訪問（DMA）

DMA 是一種硬件特性，允許外設(shè)（如網(wǎng)絡(luò)適配器、磁盤控制器等）直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存，而無需通過 CPU 的介入。在數(shù)據(jù)傳輸時，DMA 可以直接將數(shù)據(jù)從內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)酵庠O(shè)，或者從外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)到內(nèi)存，避免了數(shù)據(jù)在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的多次拷貝。

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DMA1

如上圖所示，內(nèi)核將數(shù)據(jù)讀取的大部分?jǐn)?shù)據(jù)讀取操作都交個了 DMA 控制器，而空出來的資源就可以去處理其他的任務(wù)了。

sendfile

一些操作系統(tǒng)（例如 Linux）提供了特殊的系統(tǒng)調(diào)用，如 sendfile，在網(wǎng)絡(luò)傳輸文件時實現(xiàn)零拷貝。通過 sendfile，應(yīng)用程序可以直接將文件數(shù)據(jù)從文件系統(tǒng)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)套接字或者目標(biāo)文件，而無需經(jīng)過用戶緩沖區(qū)和內(nèi)核緩沖區(qū)。

如果不用sendfile，如果將A文件寫入B文件。

需要先將A文件的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，再從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)；然后內(nèi)核再將用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，之后才能寫入到B文件；

而用了sendfile，用戶緩沖區(qū)和內(nèi)核緩沖區(qū)的拷貝都不用了，節(jié)省了一大部分的開銷。

共享內(nèi)存

使用共享內(nèi)存技術(shù)，應(yīng)用程序和內(nèi)核可以共享同一塊內(nèi)存區(qū)域，避免在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝。應(yīng)用程序可以直接將數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存，然后內(nèi)核可以直接從共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，或者反之。

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通過共享一塊兒內(nèi)存區(qū)域，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。就像程序中的引用對象一樣，實際上就是一個指針、一個地址。

內(nèi)存映射文件（Memory-mapped Files）

內(nèi)存映射文件直接將磁盤文件映射到應(yīng)用程序的地址空間，使得應(yīng)用程序可以直接在內(nèi)存中讀取和寫入文件數(shù)據(jù)，這樣一來，對映射內(nèi)容的修改就是直接的反應(yīng)到實際的文件中。

當(dāng)文件數(shù)據(jù)需要傳輸時，內(nèi)核可以直接從內(nèi)存映射區(qū)域讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，避免了數(shù)據(jù)在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的額外拷貝。

雖然看上去感覺和共享內(nèi)存沒什么差別，但是兩者的實現(xiàn)方式完全不同，一個是共享地址，一個是映射文件內(nèi)容。

Java 實現(xiàn)零拷貝的方式

Java 標(biāo)準(zhǔn)的 IO 庫是沒有零拷貝方式的實現(xiàn)的，標(biāo)準(zhǔn)IO就相當(dāng)于上面所說的傳統(tǒng)模式。只是在 Java 推出的 NIO 中，才包含了一套新的 I/O 類，如ByteBuffer和Channel，它們可以在一定程度上實現(xiàn)零拷貝。

ByteBuffer：可以直接操作字節(jié)數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的復(fù)制。

Channel：支持直接將數(shù)據(jù)從文件通道或網(wǎng)絡(luò)通道傳輸?shù)搅硪粋€通道，實現(xiàn)文件和網(wǎng)絡(luò)的零拷貝傳輸。

借助這兩種對象，結(jié)合 NIO 中的API，我們就能在 Java 中實現(xiàn)零拷貝了。

首先我們先用傳統(tǒng) IO 寫一個方法，用來和后面的 NIO 作對比，這個程序的目的很簡單，就是將一個100M左右的PDF文件從一個目錄拷貝到另一個目錄。

public static void ioCopy() {  try {    File sourceFile = new File(SOURCE_FILE_PATH);    File targetFile = new File(TARGET_FILE_PATH);    try (FileInputStream fis = new FileInputStream(sourceFile);         FileOutputStream fos = new FileOutputStream(targetFile)) {      byte[] buffer = new byte[1024];      int bytesRead;      while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {        fos.write(buffer, 0, bytesRead);      }    }    System.out.println("傳輸 " + formatFileSize(sourceFile.length()) + " 字節(jié)到目標(biāo)文件");  } catch (IOException e) {    e.printStackTrace();  }}

下面是這個拷貝程序的執(zhí)行結(jié)果，109.92M，耗時1.29秒。

“

傳輸 109.92 M 字節(jié)到目標(biāo)文件 耗時: 1.290 秒

”

FileChannel.transferTo() 和 transferFrom()

FileChannel 是一個用于文件讀寫、映射和操作的通道，同時它在并發(fā)環(huán)境下是線程安全的，基于 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 的 getChannel() 方法可以創(chuàng)建并打開一個文件通道。FileChannel 定義了 transferFrom() 和 transferTo() 兩個抽象方法，它通過在通道和通道之間建立連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/p>

這兩個方法首選用 sendfile 方式，只要當(dāng)前操作系統(tǒng)支持，就用 sendfile，例如Linux或MacOS。如果系統(tǒng)不支持，例如windows，則采用內(nèi)存映射文件的方式實現(xiàn)。

transferTo()

下面是一個 transferTo 的例子，仍然是拷貝那個100M左右的 PDF，我的系統(tǒng)是 MacOS。

public static void nioTransferTo() {  try {    File sourceFile = new File(SOURCE_FILE_PATH);    File targetFile = new File(TARGET_FILE_PATH);    try (FileChannel sourceChannel = new RandomAccessFile(sourceFile, "r").getChannel();         FileChannel targetChannel = new RandomAccessFile(targetFile, "rw").getChannel()) {      long transferredBytes = sourceChannel.transferTo(0, sourceChannel.size(), targetChannel);      System.out.println("傳輸 " + formatFileSize(transferredBytes) + " 字節(jié)到目標(biāo)文件");    }  } catch (IOException e) {    e.printStackTrace();  }}

只耗時0.536秒，快了一倍。

傳輸 109.92 M 字節(jié)到目標(biāo)文件 耗時: 0.536 秒

transferFrom()

下面是一個 transferFrom 的例子，仍然是拷貝那個100M左右的 PDF，我的系統(tǒng)是 MacOS。

public static void nioTransferFrom() {  try {    File sourceFile = new File(SOURCE_FILE_PATH);    File targetFile = new File(TARGET_FILE_PATH);    try (FileChannel sourceChannel = new RandomAccessFile(sourceFile, "r").getChannel();         FileChannel targetChannel = new RandomAccessFile(targetFile, "rw").getChannel()) {      long transferredBytes = targetChannel.transferFrom(sourceChannel, 0, sourceChannel.size());      System.out.println("傳輸 " + formatFileSize(transferredBytes) + " 字節(jié)到目標(biāo)文件");    }  } catch (IOException e) {    e.printStackTrace();  }}

執(zhí)行時間

傳輸 109.92 M 字節(jié)到目標(biāo)文件 耗時: 0.603 秒

Memory-Mapped Files

Java 的 NIO 也支持內(nèi)存映射文件（Memory-mapped Files），通過FileChannel.map()實現(xiàn)。

下面是一個FileChannel.map()的例子，仍然是拷貝那個100M左右的 PDF，我的系統(tǒng)是 MacOS。

public static void nioMap(){        try {            File sourceFile = new File(SOURCE_FILE_PATH);            File targetFile = new File(TARGET_FILE_PATH);            try (FileChannel sourceChannel = new RandomAccessFile(sourceFile, "r").getChannel();                 FileChannel targetChannel = new RandomAccessFile(targetFile, "rw").getChannel()) {                long fileSize = sourceChannel.size();                MappedByteBuffer buffer = sourceChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fileSize);                targetChannel.write(buffer);                System.out.println("傳輸 " + formatFileSize(fileSize) + " 字節(jié)到目標(biāo)文件");            }        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }

執(zhí)行時間：

傳輸 109.92 M 字節(jié)到目標(biāo)文件 耗時: 0.663 秒

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