NIO零拷贝与传统IO的文件传输性能比较

【README】

1.本文总结自B站《netty-尚硅谷》，很不错；

2.本文部分内容参考自  NIO效率高的原理之零拷贝与直接内存映射 - 腾讯云开发者社区-腾讯云

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【1】零拷贝原理

【1.1】传统IO的文件拷贝

 【图解】

• step1）调用 sys_read系统调用，从用户态进入内核态；借助DMA通道把磁盘驱动数据 读入内核读缓冲区（无需拷贝，因为零拷贝讲的是 无需耗费CPU资源的拷贝，而是DMA拷贝）；
• step2）借助CPU把 内核缓冲区数据 读取到用户态缓冲区后，从sys_read系统调用返回，从内核态切换回用户态；（第1次拷贝）
• step3）调用 sys_write 系统调用，从用户态进入内核态；借助CPU把 用户态缓冲区 数据写入 socket 缓冲区（第2次拷贝）
• step4）把 socket 缓冲区数据 借助DMA通道 写入到 网卡驱动（无需cpu参与的拷贝，仅DMA）；
• step5）写入完成后，从内核态返回用户态；

小结： 上述过程中，操作系统底层 有4次用户态与内核态的切换，2次cpu拷贝（DMA拷贝不占CPU，不计入）；文件读写（拷贝）性能较低；

补充：

• 虽然DMA拷贝不占用cpu，但它占用系统总线，一定程度上也会影响cpu性能（但这不是本文重点，可以忽略不计）；

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【1.2】零拷贝

1）零拷贝 ：

• Linux 在 2.4 版本中，做了一些修改，sendFile() 系统调用 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。

2）零拷贝流程图 ：

 【图解】

• step1）调用 sys_read系统调用，从用户态进入内核态，借助DMA通道 把磁盘驱动数据 读入到 内核读缓冲区；（DMA拷贝）
• step2）接着在内核态中，调用系统调用 sendfile ，cpu把 读缓冲区的数据写出到 socket缓冲区；（第1次CPU拷贝）
• step3）借助DMA通道，把 socket缓冲区数据 写出到 网卡缓冲区；（DMA拷贝）
• step4）最后从内核态返回到用户态；

【小结】

• 上述过程中，操作系统底层 有2次用户态与内核态的切换，1次cpu拷贝（非真正零拷贝，因为有1次cpu拷贝）；
• 显然，相比传统IO过程，NIO的零拷贝技术的文件传输性能更高；
• 补充：*若网卡驱动支持 gather操作，DMA可以直接把数据从内核读缓冲区直接拷贝到网卡驱动，而无需cpu拷贝（真正实现CPU零拷贝）；

NIO零拷贝适用于以下场景：

• 文件较大，读写较慢，追求速度；
• JVM内存不足，不能加载太大数据；
• 内存带宽不够，即存在其他程序或线程存在大量的IO操作，导致带宽本来就小；

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【2】代码实现

【2.1】基于传统IO传输文件

注意：字节缓冲 4M （字节缓冲大小会影响传输性能，当然了，一定条件下，缓冲越大越好）；

1）服务器：

/**
 * @Description 传统IO服务器
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月20日
 */
public class OldIOServer {
 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 服务器监听端口 7001
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7001);
 
        while (true) {
            // 阻塞式等待客户端请求链接
            Socket socket = serverSocket.accept();
            DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(socket.getInputStream());
            try {
                byte[] byteArr = new byte[4096];
                // 读取客户端的数据到字节数组
                while (dataInputStream.read(byteArr, 0, byteArr.length) != -1) ;
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

2）客户端：

/**
 * @Description 传统IO客户端
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月20日
 */
public class OldIOClient {
 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 7001);
        // 传输 一个 zip文件
        InputStream inputStream = new FileInputStream("D:\\cmb\\studynote\\netty\\temp\\springboot.zip");
 
        DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
        byte[] buffer = new byte[4096];
        long readCount;
        long total = 0;
        long startTime = System.currentTimeMillis();
 
        while ((readCount = inputStream.read(buffer)) >= 0) {
            total += readCount;
            dataOutputStream.write(buffer);
        }
        long cost = System.currentTimeMillis() - startTime;
        System.out.println("发送总字节数 " + total + ", 耗时 = " + cost);
        // 关闭资源
        dataOutputStream.close();
        socket.close();
        inputStream.close();
    }
}

3）效果：

发送总字节数 4491230, 耗时 = 50

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【2.2】基于NIO零拷贝传输文件

注意：字节缓冲 4M （字节缓冲大小会影响传输性能，当然了，一定条件下，缓冲越大越好）；

1）服务器：

/**
 * @Description nio实现零拷贝服务器
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月20日
 */
public class ZeroCopyNIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 服务器套接字通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 绑定端口
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 7001));
 
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4096);
        while (true) {
            // 等待客户端连接
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            // 读取数据
            while (socketChannel.read(buffer) != -1) {
                // 缓冲倒带， 设置 position=0， mark作废
                buffer.rewind();
            }
        }
 
    }
}

2）客户端：

/**
 * @Description nio实现零拷贝服务器
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月20日
 */
public class ZeroCopyNIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 7001));
        FileChannel fileChannel = new FileInputStream("D:\\cmb\\studynote\\netty\\temp\\springboot.zip").getChannel();
        long startTime = System.currentTimeMillis();
 
        // 在 linux 下，一次调用 transferTo 方法就可以完成传输
        // 在 window下，一次调用 transferTo 只能发送 8M，如果大于8M，则需要分段传输文件
        // transferTo 底层就用到了 零拷贝
        long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);
        long cost = System.currentTimeMillis() - startTime;
        System.out.println("客户端发送数据成功，耗时= " + cost + ", 传输的字节总数 = " + transferCount);
    }
}

 3）效果：

客户端发送数据成功，耗时= 10, 传输的字节总数 = 4491230

4）补充： 关于 FileChannel.transferTo 方法 

• 在 linux 下，一次调用 FileChannel.transferTo 方法就可以完成传输；
• 在 window下，一次调用 transferTo 只能发送 8M，如果大于8M，则需要分段传输文件；
• transferTo 底层就用到了 零拷贝；

5）transferTo方法底层使用的是 sendfile 系统调用（零拷贝）

• 该系统调用 实现了数据直接从内核的读缓冲区传输到套接字缓冲区，避免了用户态(User-space) 与内核态(Kernel-space) 之间的数据拷贝。

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【4】性能比较

【表】传统IO与NIO零拷贝传输性能对比 （文件大小 4M）