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Java圖文并茂詳解NIO與零拷貝

 更新時間：2022年11月11日 09:49:07   作者：頑石九變  
零拷貝是網(wǎng)絡(luò)編程的關(guān)鍵，很多性能優(yōu)化都離不開。在?Java?程序中，常用的零拷貝有?mmap(memory?map，內(nèi)存映射)?和?sendFile。那么它們在?OS（操作系統(tǒng)）?中，到底是怎么樣的一個的設(shè)計？另外我們看下NIO?中如何使用零拷貝

零拷貝指的是沒有CPU拷貝，并不是不拷貝；減少上下文切換

一、概念說明

1、傳統(tǒng)IO

需要4次拷貝，3次上下文切換

2、mmap

mmap 通過內(nèi)存映射，將文件映射到內(nèi)存緩沖區(qū)，同時用戶空間可以共享內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，減少內(nèi)核空間到用戶空間的拷貝

需要3次拷貝，3次上下文切換

3、sendfile

Linux 2.4 避免了從內(nèi)核緩沖區(qū)到Socket Buffer的拷貝，直接拷貝到協(xié)議棧，從而減少一次數(shù)據(jù)拷貝

需要2次拷貝，3次上下文切換

4、mmap與sendfile

mmap適合小數(shù)據(jù)量讀寫，sendfile適合大文件傳輸

mmap需要4次上下文切換，3次數(shù)據(jù)拷貝；sendfile需要3次上下文切換，最少2次數(shù)據(jù)拷貝

send可用利用DMA方式，減少CPU拷貝，mmap則不能（必須從內(nèi)核拷貝到Socket緩沖區(qū)）

二、傳統(tǒng)IO傳輸文件代碼示例

1、服務(wù)端代碼

import java.io.DataInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class BIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7000);
        while (true) {
            Socket socket = serverSocket.accept();
            DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(socket.getInputStream());
            try {
                long total = 0;
                byte[] bytes = new byte[4096];
                FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\temp\\04.zip");
                while (true) {
                    int read = dataInputStream.read(bytes, 0, bytes.length);
                    if (read == -1) {
                        //文件讀取結(jié)束，退出循環(huán)
                        break;
                    }
                    total += read;
                    fileOutputStream.write(bytes, 0, read);
                }
                System.out.println("收到客戶端發(fā)送文件，總字節(jié)數(shù)：" + total);
                fileOutputStream.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

2、客戶端代碼

import java.io.DataOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
public class BIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 7000);
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("d:\\temp\\03.zip");
        DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
        byte[] bytes = new byte[4096];
        long readCount;
        long total = 0;
        long start = System.currentTimeMillis();
        while ((readCount = fileInputStream.read(bytes)) >= 0) {
            total += readCount;
            dataOutputStream.write(bytes);
        }
        System.out.println("發(fā)送總字節(jié)數(shù)：" + total + ", 總耗時：" + (System.currentTimeMillis() - start));
        dataOutputStream.close();
        socket.close();
        fileInputStream.close();
    }
}

3、控制臺出輸出

測試發(fā)送9M的壓縮文件，耗時在26ms左右

發(fā)送總字節(jié)數(shù)：9428963, 總耗時：26

三、NIO傳輸文件代碼示例

1、服務(wù)端代碼

package com.hj.io.nio.zero;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class NIOServerFile {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(7000);
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(address);
        //創(chuàng)建buffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);
        while (true) {
            //等待客戶端鏈接
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            System.out.println("收到客戶端鏈接");
            int total = 0;
            FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\temp\\05.zip");
            //循環(huán)讀取數(shù)據(jù)，并存儲到硬盤
            while (true) {
                try {
                    int readCount = socketChannel.read(byteBuffer);
                    if (readCount == -1) {
                        //文件讀取結(jié)束
                        break;
                    }
                    total += readCount;
                    fileOutputStream.write(byteBuffer.array(),0,readCount);
                    //將buffer倒帶
                    byteBuffer.rewind();
                } catch (IOException e) {
                   break;
                }
            }
            System.out.println("收到客戶端發(fā)送文件，總字節(jié)數(shù)：" + total);
            fileOutputStream.close();
        }
    }
}

2、客戶端代碼

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class NIOClientFile {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //打開一個SocketChannel并鏈接到服務(wù)器端
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 7000));
        //打開一個文件
        FileChannel fileChannel = new FileInputStream("d:\\temp\\03.zip").getChannel();
        //發(fā)送文件到服務(wù)器
        long start = System.currentTimeMillis();
        //在linux下，一次transferTo調(diào)用就可以完成傳輸
        //在windows下，一次transferTo調(diào)用最多只能傳8M，大文件需要分段傳輸，需要注意傳輸位置
        //transferTo底層使用零拷貝
        long total = fileChannel.size();
        long sended = 0;
        while (sended < total) {
            //從上一次傳輸位置繼續(xù)發(fā)送
            long lenth = fileChannel.transferTo(sended, fileChannel.size(), socketChannel);
            sended += lenth;
        }
        System.out.println("發(fā)送總字節(jié)數(shù)：" + sended + "，總耗時：" + (System.currentTimeMillis() - start));
        //關(guān)閉channel
        fileChannel.close();
        socketChannel.close();
    }
}

3、控制臺出輸出

測試發(fā)送9M的壓縮文件，耗時在16ms左右

發(fā)送總字節(jié)數(shù)：9428963，總耗時：16

四、總結(jié)

使用零拷貝傳輸，性能明顯高于傳統(tǒng)IO傳輸

到此這篇關(guān)于Java圖文并茂詳解NIO與零拷貝的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java NIO與零拷貝內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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