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什么是零拷贝以及其应用场景是什么？

news 2025/7/7 16:26:13

写在前面

本文看下什么是零拷贝，以及其具体的应用场景有哪些。

1：什么是零拷贝

想要解释清楚什么是零拷贝，需要先来看下常规的阻塞io一次io的过程，这里以从文件读取内容然后写到socket为例来看下，如下：

1：发起read调用，发生一次上下文切换，从用户态转换为内核态
2：内核拷贝数据到pagecahe
3：发生一次上下文切换，内核态转换为用户态，用户进程将数据拷贝到用户缓冲区
4：发生一次上下文切换，用户态转换为内核态，内核将数据拷贝socket缓冲区
5：内核将数据拷贝到网卡

pagecache是磁盘数据的缓冲区，用来在一定程度上缓解磁盘速度和内存速度的差异，起到预读，缓存作用。

可以参考下下图：
在这里插入图片描述

这里可能的性能瓶颈如下：

1：上下文切换
2：数据拷贝

所以我们如果是能够尽量上下文切换的次数，以及数据拷贝的次数，就能对性能有比较好的提升了。首先数据拷贝到用户缓冲区这一步，其实是完全没有必要的，因为应用程序只是捣一手而已，所以如果是可以少了这个步骤，那么数据拷贝到用户缓冲区和其之前的上下文切换，以及之后的从用户缓冲区拷贝数据到socket缓冲区以及对应的上下文切换就可以避免了，也就是如下的部分：
在这里插入图片描述

此时，就要需要将数据从pagecache拷贝到socket缓冲区，因此还需要引入额外的一次数据拷贝，但以少两次上下文切换，两次数据拷贝为收益还是比较值得的。整个过程就变为下图：
在这里插入图片描述

黄色框就是新机制额外引入的一次数据拷贝了。

其实，还可以继续优化，如果是应用程序直接告知数据要写到那个socket（这个当然很容易做到），那么就可以直接将数据从pagecache拷贝到网卡，那么新引入的这次拷贝也可以被干掉，并且从socket缓冲区拷贝到网卡这步也可以被干掉了，就变为下图这样的过程：
在这里插入图片描述
这其实就是零拷贝了，所以很难给零拷贝下一个准确的定义。但我觉得可以这样来描述：通过技术手段尽量的减少上下文切换和拷贝次数的io方式叫做零拷贝。

2：零拷贝使用的场景

在前面的分析中零拷贝需要依赖于pagecache，而这也决定了零拷贝使用的场景，所以，我们首先要来看下pagecache的作用是什么。pagecache最大的作用是预读，什么意思呢？假定你要读取15k的内容，但是内核会假定你很快读取接下来的15k内容，那么就会直接读取30k的内容，这样接下来的15k内容就不需要读磁盘了，还有一点就是“时间局部性”原理，即刚被读过的数据，被再次读取的概率很高，所以此时pagecache起到了缓存数据的作用。而pagecache的大小是很有限的，所以大文件的读取pagecache是无法发挥它的威力的，甚至会拖后腿，所以，零拷贝的应用场景是小文件的读取。
如果是读取大文件会怎么样呢？就会导致pagecache长时间被占满，并且无法发挥其作用，导致其他小文件的读取也无法享受到pagecache的好处。
所以，如果你的场景中是小文件的读取，或者是小文件频繁的读取可以优先考虑使用零拷贝。

3：jdk对零拷贝的支持

在javaNIO中提供了对零拷贝的支持，依赖于方法java.nio.channels.FileChannel.transferTo：

public abstract long transferTo(long position, long count,WritableByteChannel target)throws IOException;

使用实例：

package org.example;//import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
//
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.channels.FileChannel;public class TestByteBufferTransferTO {public static void main(String[] args) {long startTime = System.currentTimeMillis();try (FileChannel from = new FileInputStream("d:\\test\\CentOS-7-x86_64-Minimal-2207-02.iso").getChannel();FileChannel to = new FileOutputStream("centos" + System.currentTimeMillis() + ".iso").getChannel()) {long size = from.size();for (long left = size; left > 0; ) {
//                log.info("position:{},left:{}", size - left, left);System.out.println("position:{},left:{}" + (size - left) + left);left -= from.transferTo((size - left), left, to);}} catch (IOException e) {
//            log.debug("e:{}", e);} finally {// 零拷贝耗时：18679System.out.println("零拷贝耗时：" + (System.currentTimeMillis() - startTime));}}
}