相关面试题 ：

• 简单描述一下传统的 IO 执行流程，有什么缺陷？
• 什么是零拷贝？
• 零拷贝实现的几种方式
• Java 提供的零拷贝方式

作者：程序员田螺 ，公众号：捡田螺的小男孩

《Java 面试指北》已获授权并对其内容进行了完善。

零拷贝算是一个老生常谈的问题啦，很多顶级框架都用到了零拷贝来提升性能，比如我们经常接触到的 Kafka 、RocketMQ、Netty 。

搞懂零拷贝不仅仅可以让自己对这些框架的认识更进一步，还可以让自己在面试中更游刃有余。毕竟，面试中对于零拷贝的考察非常常见，尤其是大厂。

通常情况下，面试官不会直接提问零拷贝，他会先问你 Kafka/RocketMQ/Netty 为什么快，然后你回答到了零拷贝之后，他再去挖掘你对零拷贝的认识。

1.什么是零拷贝

零拷贝字面上的意思包括两个，“零”和“拷贝”：

• “拷贝” ：就是指数据从一个存储区域转移到另一个存储区域。
• “零” ：表示次数为 0，它表示拷贝数据的次数为 0。

合起来，那 零拷贝 就是不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域。

零拷贝是指计算机执行 IO 操作时，CPU 不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及 CPU 的拷贝时间。它是一种I/O操作优化技术。

2. 传统 IO 的执行流程

做服务端开发的小伙伴，文件下载功能应该实现过不少了吧。如果你实现的是一个 Web 程序，前端请求过来，服务端的任务就是：将服务端主机磁盘中的文件从已连接的 socket 发出去。关键实现代码如下：

while((n = read(diskfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)
    write(sockfd, buf , n);

传统的 IO 流程，包括 read 和 write 的过程。

• read：把数据从磁盘读取到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区。
• write：先把数据写入到 socket 缓冲区，最后写入网卡设备。

流程图如下：

• 用户应用进程调用 read 函数，向操作系统发起 IO 调用，上下文从用户态转为内核态（切换 1）
• DMA 控制器把数据从磁盘中，读取到内核缓冲区。
• CPU 把内核缓冲区数据，拷贝到用户应用缓冲区，上下文从内核态转为用户态（切换 2），read 函数返回
• 用户应用进程通过 write 函数，发起 IO 调用，上下文从用户态转为内核态（切换 3）
• CPU 将应用缓冲区中的数据，拷贝到 socket 缓冲区
• DMA 控制器把数据从 socket 缓冲区，拷贝到网卡设备，上下文从内核态切换回用户态（切换 4），write 函数返回

从流程图可以看出，传统 IO 的读写流程，包括了 4 次上下文切换（4 次用户态和内核态的切换），4 次数据拷贝（两次 CPU 拷贝以及两次的 DMA 拷贝)，什么是 DMA 拷贝呢？我们一起来回顾下，零拷贝涉及的操作系统知识点哈。

3. 零拷贝相关的知识点回顾

3.1 内核空间和用户空间

我们电脑上跑着的应用程序，其实是需要经过操作系统，才能做一些特殊操作，如磁盘文件读写、内存的读写等等。因为这些都是比较危险的操作，不可以由应用程序乱来，只能交给底层操作系统来。

因此，操作系统为每个进程都分配了内存空间，一部分是用户空间，一部分是内核空间。内核空间是操作系统内核访问的区域，是受保护的内存空间，而用户空间是用户应用程序访问的内存区域。 以 32 位操作系统为例，它会为每一个进程都分配了4G(2 的 32 次方)的内存空间。

• 内核空间 ：主要提供进程调度、内存分配、连接硬件资源等功能
• 用户空间 ：提供给各个程序进程的空间，它不具有访问内核空间资源的权限，如果应用程序需要使用到内核空间的资源，则需要通过系统调用来完成。进程从用户空间切换到内核空间，完成相关操作后，再从内核空间切换回用户空间。

3.2 什么是用户态、内核态

• 如果进程运行于内核空间，被称为进程的内核态
• 如果进程运行于用户空间，被称为进程的用户态。

3.3 什么是上下文切换

什么是上下文？

CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此叫做 CPU 上下文。

什么是 CPU 上下文切换？

它是指，先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

一般我们说的上下文切换，就是指内核（操作系统的核心）在 CPU 上对进程或者线程进行切换。进程从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。系统调用的过程，会发生CPU 上下文的切换。

CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。

3.4 虚拟内存

现代操作系统使用虚拟内存，即虚拟地址取代物理地址，使用虚拟内存可以有 2 个好处：

• 虚拟内存空间可以远远大于物理内存空间
• 多个虚拟内存可以指向同一个物理地址

正是多个虚拟内存可以指向同一个物理地址，可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样的话，就可以减少 IO 的数据拷贝次数啦，示意图如下

3.5 DMA 技术

DMA，英文全称是 Direct Memory Access，即直接内存访问。DMA本质上是一块主板上独立的芯片，允许外设设备和内存存储器之间直接进行 IO 数据传输，其过程不需要 CPU 的参与。

我们一起来看下 IO 流程，DMA 帮忙做了什么事情.

• 用户应用进程调用 read 函数，向操作系统发起 IO 调用，进入阻塞状态，等待数据返回。
• CPU 收到指令后，对 DMA 控制器发起指令调度。
• DMA 收到 IO 请求后，将请求发送给磁盘；
• 磁盘将数据放入磁盘控制缓冲区，并通知 DMA
• DMA 将数据从磁盘控制器缓冲区拷贝到内核缓冲区。
• DMA 向 CPU 发出数据读完的信号，把工作交换给 CPU，由 CPU 负责将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。
• 用户应用进程由内核态切换回用户态，解除阻塞状态

可以发现，DMA 做的事情很清晰啦，它主要就是帮忙 CPU 转发一下 IO 请求，以及拷贝数据。为什么需要它的？

主要就是效率，它帮忙 CPU 做事情，这时候，CPU 就可以闲下来去做别的事情，提高了 CPU 的利用效率。大白话解释就是，CPU 老哥太忙太累啦，所以他找了个小弟（名叫 DMA） ，替他完成一部分的拷贝工作，这样 CPU 老哥就能着手去做其他事情。

4. 零拷贝实现的几种方式

零拷贝并不是没有拷贝数据，而是减少用户态/内核态的切换次数以及 CPU 拷贝的次数。零拷贝实现有多种方式，分别是

• mmap+write
• sendfile
• 带有 DMA 收集拷贝功能的 sendfile

4.1 mmap+write 实现的零拷贝

mmap 的函数原型如下：

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

• addr ：指定映射的虚拟内存地址
• length ：映射的长度
• prot ：映射内存的保护模式
• flags ：指定映射的类型
• fd : 进行映射的文件句柄
• offset : 文件偏移量

前面一小节，零拷贝相关的知识点回顾，我们介绍了虚拟内存，可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，从而减少数据拷贝次数！mmap 就是用了虚拟内存这个特点，它将内核中的读缓冲区与用户空间的缓冲区进行映射，所有的 IO 都在内核中完成。

mmap+write实现的零拷贝流程如下：

• 用户进程通过mmap方法向操作系统内核发起 IO 调用，上下文从用户态切换为内核态。
• CPU 利用 DMA 控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
• 上下文从内核态切换回用户态，mmap 方法返回。
• 用户进程通过write方法向操作系统内核发起 IO 调用，上下文从用户态切换为内核态。
• CPU 将内核缓冲区的数据拷贝到的 socket 缓冲区。
• CPU 利用 DMA 控制器，把数据从 socket 缓冲区拷贝到网卡，上下文从内核态切换回用户态，write 调用返回。

可以发现，mmap+write实现的零拷贝，I/O 发生了4次用户空间与内核空间的上下文切换，以及 3 次数据拷贝。其中 3 次数据拷贝中，包括了2 次 DMA 拷贝和 1 次 CPU 拷贝。

mmap是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射，内核缓冲区和应用缓冲区共享，所以节省了一次 CPU 拷贝‘’并且用户进程内存是虚拟的，只是映射到内核的读缓冲区，可以节省一半的内存空间。

4.2 sendfile 实现的零拷贝

sendfile是 Linux2.1 内核版本后引入的一个系统调用函数，API 如下：

ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

• out_fd :为待写入内容的文件描述符，一个 socket 描述符。，
• in_fd :为待读出内容的文件描述符，必须是真实的文件，不能是 socket 和管道。
• offset ：指定从读入文件的哪个位置开始读，如果为 NULL，表示文件的默认起始位置。
• count ：指定在 fdout 和 fdin 之间传输的字节数。

sendfile 表示在两个文件描述符之间传输数据，它是在操作系统内核中操作的，避免了数据从内核缓冲区和用户缓冲区之间的拷贝操作，因此可以使用它来实现零拷贝。

sendfile 实现的零拷贝流程如下：

1. 用户进程发起 sendfile 系统调用，上下文（切换 1）从用户态转向内核态
2. DMA 控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
3. CPU 将读缓冲区中数据拷贝到 socket 缓冲区
4. DMA 控制器，异步把数据从 socket 缓冲区拷贝到网卡，
5. 上下文（切换 2）从内核态切换回用户态，sendfile 调用返回。

可以发现，sendfile实现的零拷贝，I/O 发生了2次用户空间与内核空间的上下文切换，以及 3 次数据拷贝。其中 3 次数据拷贝中，包括了2 次 DMA 拷贝和 1 次 CPU 拷贝。那能不能把 CPU 拷贝的次数减少到 0 次呢？有的，即带有DMA收集拷贝功能的sendfile！

4.3 sendfile+DMA scatter/gather 实现的零拷贝

linux 2.4 版本之后，对sendfile做了优化升级，引入 SG-DMA 技术，其实就是对 DMA 拷贝加入了scatter/gather操作，它可以直接从内核空间缓冲区中将数据读取到网卡。使用这个特点搞零拷贝，即还可以多省去一次 CPU 拷贝。

sendfile+DMA scatter/gather 实现的零拷贝流程如下：

1. 用户进程发起 sendfile 系统调用，上下文（切换 1）从用户态转向内核态
2. DMA 控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
3. CPU 把内核缓冲区中的文件描述符信息（包括内核缓冲区的内存地址和偏移量）发送到 socket 缓冲区
4. DMA 控制器根据文件描述符信息，直接把数据从内核缓冲区拷贝到网卡
5. 上下文（切换 2）从内核态切换回用户态，sendfile 调用返回。

可以发现，sendfile+DMA scatter/gather实现的零拷贝，I/O 发生了2次用户空间与内核空间的上下文切换，以及 2 次数据拷贝。其中 2 次数据拷贝都是包DMA 拷贝。这就是真正的 零拷贝（Zero-copy) 技术，全程都没有通过 CPU 来搬运数据，所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的。

5. java 提供的零拷贝方式

• Java NIO 对 mmap 的支持
• Java NIO 对 sendfile 的支持

5.1 Java NIO 对 mmap 的支持

Java NIO 有一个MappedByteBuffer的类，可以用来实现内存映射。它的底层是调用了 Linux 内核的mmap的 API。

mmap 的小 demo如下：

public class MmapTest {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./jay.txt"), StandardOpenOption.READ);
            MappedByteBuffer data = readChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, 1024 * 1024 * 40);
            FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./siting.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
            //数据传输
            writeChannel.write(data);
            readChannel.close();
            writeChannel.close();
        }catch (Exception e){
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

5.2 Java NIO 对 sendfile 的支持

FileChannel 的transferTo()/transferFrom()，底层就是 sendfile() 系统调用函数。Kafka 这个开源项目就用到它，平时面试的时候，回答面试官为什么这么快，就可以提到零拷贝sendfile这个点。

@Override
public long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException {
   return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
}

sendfile 的小 demo如下：

public class SendFileTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./jay.txt"), StandardOpenOption.READ);
            long len = readChannel.size();
            long position = readChannel.position();

            FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./siting.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
            //数据传输
            readChannel.transferTo(position, len, writeChannel);
            readChannel.close();
            writeChannel.close();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

参考与感谢

• 框架篇：小白也能秒懂的 Linux 零拷贝原理
• 深入剖析 Linux IO 原理和几种零拷贝机制的实现
• 阿里二面：什么是 mmap？

更新: 2022-05-29 15:13:33
原文: https://www.yuque.com/snailclimb/mf2z3k/yc7k8o

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