支撑百万并发的“零拷贝”技术，你了解吗？( 七 ) _零拷贝

下面从 CPU 拷贝次数、DMA 拷贝次数以及系统调用几个方面总结一下上述几种 I/O 拷贝方式的差别：

JAVA NIO 零拷贝实现
在 Java NIO 中的通道(Channel)就相当于操作系统的内核空间(kernel space)的缓冲区。
而缓冲区(Buffer)对应的相当于操作系统的用户空间(user space)中的用户缓冲区(user buffer)：

通道(Channel)是全双工的(双向传输)，它既可能是读缓冲区(read buffer)，也可能是网络缓冲区(socket buffer) 。
缓冲区(Buffer)分为堆内存(HeapBuffer)和堆外内存(DirectBuffer)，这是通过 malloc() 分配出来的用户态内存。

堆外内存(DirectBuffer)在使用后需要应用程序手动回收，而堆内存(HeapBuffer)的数据在 GC 时可能会被自动回收。
因此，在使用 HeapBuffer 读写数据时，为了避免缓冲区数据因为 GC 而丢失，NIO 会先把 HeapBuffer 内部的数据拷贝到一个临时的 DirectBuffer 中的本地内存(native memory) 。
这个拷贝涉及到 sun.misc.Unsafe.copyMemory() 的调用，背后的实现原理与 memcpy() 类似。
最后，将临时生成的 DirectBuffer 内部的数据的内存地址传给 I/O 调用函数，这样就避免了再去访问 Java 对象处理 I/O 读写。
MappedByteBuffer
MappedByteBuffer 是 NIO 基于内存映射(mmap)这种零拷贝方式提供的一种实现，它继承自 ByteBuffer 。
FileChannel 定义了一个 map() 方法，它可以把一个文件从 position 位置开始的 size 大小的区域映射为内存映像文件。
抽象方法 map() 方法在 FileChannel 中的定义如下：

public abstract MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size)
throws IOException;

Mode：限定内存映射区域(MappedByteBuffer)对内存映像文件的访问模式，包括只可读(READ_ONLY)、可读可写(READ_WRITE)和写时拷贝(PRIVATE)三种模式。
Position：文件映射的起始地址，对应内存映射区域(MappedByteBuffer)的首地址。
Size：文件映射的字节长度，从 Position 往后的字节数，对应内存映射区域(MappedByteBuffer)的大小。
MappedByteBuffer 相比 ByteBuffer 新增了三个重要的方法：

fore()：对于处于 READ_WRITE 模式下的缓冲区，把对缓冲区内容的修改强制刷新到本地文件。
load()：将缓冲区的内容载入物理内存中，并返回这个缓冲区的引用。
isLoaded()：如果缓冲区的内容在物理内存中，则返回 true，否则返回 false 。

下面给出一个利用 MappedByteBuffer 对文件进行读写的使用示例：

private final static String CONTENT = "Zero copy implemented by MappedByteBuffer";
private final static String FILE_NAME = "/mmap.txt";
private final static String CHARSET = "UTF-8";

写文件数据：打开文件通道 fileChannel 并提供读权限、写权限和数据清空权限，通过 fileChannel 映射到一个可写的内存缓冲区 mappedByteBuffer，将目标数据写入 mappedByteBuffer，通过 force() 方法把缓冲区更改的内容强制写入本地文件。

@Test
public void writeToFileByMappedByteBuffer() {
Path path = Paths.get(getClass().getResource(FILE_NAME).getPath());
byte[] bytes = CONTENT.getBytes(Charset.forName(CHARSET));
try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ,
StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.TRUNCATE_EXISTING)) {
MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(READ_WRITE, 0, bytes.length);
if (mappedByteBuffer != null) {
mappedByteBuffer.put(bytes);
mappedByteBuffer.force();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}

读文件数据：打开文件通道 fileChannel 并提供只读权限，通过 fileChannel 映射到一个只可读的内存缓冲区 mappedByteBuffer，读取 mappedByteBuffer 中的字节数组即可得到文件数据。

@Test
public void readFromFileByMappedByteBuffer() {
Path path = Paths.get(getClass().getResource(FILE_NAME).getPath());
int length = CONTENT.getBytes(Charset.forName(CHARSET)).length;
try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ)) {
MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(READ_ONLY, 0, length);
if (mappedByteBuffer != null) {
byte[] bytes = new byte[length];
mappedByteBuffer.get(bytes);
String content = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
assertEquals(content, "Zero copy implemented by MappedByteBuffer");
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}