05-Java NIO 编程零拷贝与 AIO

爱谁谁

发布时间：2025-07-10 13:38:01

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零拷贝是网络编程中的关键技术，许多性能优化都离不开它。在java程序中，常用的零拷贝技术包括mmap（内存映射）和sendfile。那么，这些技术在操作系统中的设计是怎样的呢？我们将分析mmap和sendfile这两种零拷贝技术，并探讨nio中如何使用零拷贝来优化传统io的数据读写。

05-Java NIO 编程零拷贝与 AIO 传统IO模型DMA : direct memory access 直接内存拷贝( 不使用CPU )

mmap优化通过内存映射，mmap将文件映射到内核缓冲区，同时用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网络传输时，就可以减少内核空间到用户空间的拷贝次数，如下图所示：

05-Java NIO 编程零拷贝与 AIO mmap示意图

sendFile优化在Linux 2.1版本中引入了sendFile函数，其基本原理如下：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到Socket Buffer。由于与用户态完全无关，这就减少了一次上下文切换。示意图和小结如下：

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05-Java NIO 编程零拷贝与 AIO sendFile示意图

提示：零拷贝从操作系统的角度来看，是没有CPU拷贝的。在Linux 2.4版本中，进行了修改，避免了从内核缓冲区拷贝到SocketBuffer的操作，直接拷贝到协议栈，从而再次减少了数据拷贝，如下图和小结所示：

05-Java NIO 编程零拷贝与 AIO sendFile优化后的示意图

这里其实有一次CPU拷贝（Kernel buffer -> socket buffer），但拷贝的信息很少，比如length和offset信息，可以忽略。

零拷贝的再次理解我们所说的零拷贝，是从操作系统的角度来说的，因为内核缓冲区之间没有数据是重复的（只有kernel buffer有一份数据）。零拷贝不仅带来了更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的CPU缓存伪共享以及无CPU校验和计算。

mmap和sendFile的区别如下：

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mmap适合小数据量读写，sendFile适合大文件传输。
mmap需要4次上下文切换，3次数据拷贝；sendFile需要3次上下文切换，最少2次数据拷贝。
sendFile可以利用DMA方式减少CPU拷贝，而mmap则不能（必须从内核拷贝到Socket缓冲区）。

零拷贝案例需求：使用传统IO方法传递一个大文件，使用NIO零拷贝方式（transferTo）传递一个大文件，并比较两种传递方式的耗时。

以下是服务器端的代码：

package com.dance.netty.nio.demo.zerocopy;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class ZeroCopyServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7001);
        ServerSocketChannel open = ServerSocketChannel.open();
        open.socket().bind(inetSocketAddress);
        for (;;){
            SocketChannel accept = open.accept();
            int countSize = 0;
            ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(4096);
            while (-1 != countSize){
                countSize  = accept.read(allocate);
                allocate.rewind(); // 倒置 position=0 Mark 作废
            }
        }
    }
}

以下是客户端的代码：

package com.dance.netty.nio.demo.zerocopy;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.time.Duration;
import java.time.Instant;
public class ZeroCopyClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SocketChannel open = SocketChannel.open();
        boolean connect = open.connect(new InetSocketAddress(7001));
        // 获取文件Channel
        File file = new File("src/main/resources/01.jpeg");
        FileChannel channel = new FileInputStream(file).getChannel();
        Instant startTime = Instant.now();
        /* 
         * 在Linux下,一个transferTo方法就可以传输完成
         * 在Windows下,调用一次transferTo 只能传输8M,就需要分段传输文件,而且要记录传输时的位置
         * transferTo 底层使用零拷贝
         */
        long l = channel.transferTo(0, channel.size(), open);
        System.out.println(l);
        Instant endTime = Instant.now();
        System.out.println("用时:" + Duration.between(startTime,endTime).toMillis() + "ms");
        channel.close();
    }
}

执行结果如下：

6806用时:3ms

零拷贝博客链接：https://www.php.cn/link/5b4e256d43c2e28b425581832a4e0a09

我认为这篇博客写的非常不错。

AIO基本介绍： JDK7引入了Asynchronous I/O，即AIO。在进行IO编程时，常用到两种模式：Reactor和Proactor。Java的NIO就是Reactor模式，当有事件触发时，服务器端得到通知进行相应的处理。AIO，即NIO2.0，称为异步非阻塞IO，AIO引入了异步通道的概念，采用了Proactor模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程。其特点是，先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多，且连接时间较长的应用。目前AIO还没有广泛应用，Netty也是基于NIO，而不是AIO，因此就不在这里详细讲解AIO了。有兴趣的可以参考以下链接：

BIO、NIO和AIO对比图：

05-Java NIO 编程零拷贝与 AIO