Java堆栈内存、堆外内存、零拷贝浅析与代码实现

2024-04-06 08:01:01

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零拷贝，这是个耳熟能详的名词，是开发岗面试中经常提及的问题。最近在回顾Netty的基础原理，还是把NIO中关于堆外内存的知识点过了一遍，这里就针对堆栈内存、堆外内存和零拷贝这几个概念以及相关知识做一下记录。

Java堆栈内存和堆外内存

1. 堆栈内存

堆栈内存，顾名思义，指的是堆内存以及栈内存，其中，堆内存是由Java GC进行管理的内存区域，而栈内存则是线程内存。关于栈内存，这里不去细说。以Hotspot为例，堆内存的简要结构如下图所示：

Java堆栈内存、堆外内存、零拷贝浅析与代码实现

而堆栈的关系，我们可以通过一行简单的代码来理解：

public static void main(String[] args) {
    Object o = new Object();
}

上述代码主要完成了两件事，new Object( ) 在堆上开辟了一块内存，也就是说，new Object( )是分配在堆上的；而变量o，则是在线程main的栈上面的，它指向了new Object( ) 开辟的堆内存地址。简单来说，程序中创建的对象，都存储在堆内存中，栈内存包含对它的引用。

2. 堆外内存

简单来说，除了堆栈内存，剩下的就都是堆外内存了（当然，这是从Java运行时内存的角度来看），堆外内存直接受操作系统管理，而不是虚拟机。而使用堆外内存的原因，主要有几点：

  • 一定程度上减少了GC，堆外内存是直接受操作系统管理的，而不是JVM，因此使用堆外内存的话，就可以保持一个比较小的堆内内存，减少垃圾回收对程序性能的影响。这一块，在Kafka中就应用得很好，感兴趣的同学可以去了解一下；

  • 还有一个更大的优点，就是提高IO操作的效率！这里就涉及用户态与内核态，以及内核缓冲区的概念，具体可以看笔者之前的一篇文章Java随笔记 - 内核缓冲区与进程缓冲区。其中，堆内内存其实就是用户进程的进程缓冲区，属于用户态，而堆外内存由操作系统管理，属于内核态。如果从堆内向磁盘写数据，数据会被先复制到堆外内存，即内核缓冲区，然后再由OS写入磁盘，但使用堆外内存的话则可以避免这个复制操作。

Java堆栈内存、堆外内存、零拷贝浅析与代码实现

零拷贝

总结上述内容中对堆栈内存与堆外内存的说明，主要解决了两个疑问：“零拷贝”是从哪拷贝到哪？“零拷贝”是怎么优化掉这一拷贝操作的？

  • 用户进程需要像磁盘写数据时，需要将用户缓冲区（堆内内存）中的内容拷贝到内核缓冲区（堆外内存）中，操作系统再将内核缓冲区中的内容写进磁盘中；

  • 通过在用户进程中，直接申请堆外内存，存储其需要写进磁盘的数据，就能够省掉上述拷贝操作。

在Java中，提供了一些使用堆外内存以及DMA的方法，能够在很大程度上优化用户进程的IO效率。这里，给出一份拷贝文件的代码，分别使用BIO、NIO和使用堆外内存的NIO进行文件复制，简单对比其耗时。

这里我使用一个200MB左右的pdf文件进行拷贝操作，你可以另外指定更大的文件，文件越大对比越明显。这里我运行出来的延时，BIO的平均耗时1500ms上下，NIO耗时120ms左右， 使用堆外内存的NIO耗时100ms上下。

package top.jiangnanmax.nio;

import java.io.*;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

/**
 * @author jiangnanmax
 * @email jiangnanmax@gmail.com
 * @description CopyCompare
 * @date 2021/5/7
 **/

public class CopyCompare {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String inputFile = "/tmp/nio/input/HyperLedger.pdf";
        String outputFile = "/tmp/nio/output/HyperLedger.pdf";

        long start = System.currentTimeMillis();

        nioCopyByDirectMem(inputFile, outputFile);

        long end = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("cost time: " + (end - start) + " ms");

        deleteFile(outputFile);
    }

    /**
     * 使用传统IO进行文件复制
     *
     * 平均耗时 15** ms
     *
     * @param sourcePath
     * @param destPath
     */
    private static void bioCopy(String sourcePath, String destPath) throws Exception {
        File sourceFile = new File(sourcePath);
        File destFile = new File(destPath);
        if (!destFile.exists()) {
            destFile.createNewFile();
        }

        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(sourceFile);
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(destFile);

        byte[] buffer = new byte[512];
        int lenRead;

        while ((lenRead = inputStream.read(buffer)) != -1) {
            outputStream.write(buffer, 0, lenRead);
        }

        inputStream.close();
        outputStream.close();
    }

    /**
     * 使用NIO进行文件复制，但不使用堆外内存
     *
     * 平均耗时 1** ms, 比BIO直接快了一个数量级？？？
     *
     * @param sourcePath
     * @param destPath
     */
    private static void nioCopy(String sourcePath, String destPath) throws Exception {
        File sourceFile = new File(sourcePath);
        File destFile = new File(destPath);
        if (!destFile.exists()) {
            destFile.createNewFile();
        }

        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(sourceFile);
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(destFile);

        FileChannel inputChannel = inputStream.getChannel();
        FileChannel outputChannel = outputStream.getChannel();

        // transferFrom底层调用的应该是sendfile
        // 直接在两个文件描述符之间进行了数据传输
        // DMA

        outputChannel.transferFrom(inputChannel, 0, inputChannel.size());

        inputChannel.close();
        outputChannel.close();
        inputStream.close();
        outputStream.close();

    }

    /**
     * 使用NIO进行文件复制，并使用堆外内存
     *
     * 平均耗时100ms上下，比没使用堆外内存的NIO快一点
     *
     * @param sourcePath
     * @param destPath
     */
    private static void nioCopyByDirectMem(String sourcePath, String destPath) throws Exception {
        File sourceFile = new File(sourcePath);
        File destFile = new File(destPath);
        if (!destFile.exists()) {
            destFile.createNewFile();
        }

        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(sourceFile);
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(destFile);

        FileChannel inputChannel = inputStream.getChannel();
        FileChannel outputChannel = outputStream.getChannel();

        MappedByteBuffer buffer = inputChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, inputChannel.size());

        outputChannel.write(buffer);

        inputChannel.close();
        outputChannel.close();
        inputStream.close();
        outputStream.close();

    }

    /**
     * 删除目标文件
     *
     * @param target
     */
    private static void deleteFile(String target) {
        File file = new File(target);
        file.delete();
    }

}

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