Netty 源码分析系列(八)Netty 如何实现零拷贝,字节跳动Java岗经典面试真题

1、Java提供 mmap/write 方式

Java NIO 提供的MappedByteBuffer,用于提供mmap/write方式。

Java NlO 中 的Channel (通道)就相当于操作系统中的内核缓冲区,有可能是读缓冲区,也有可能是网络缓冲区,而Buffer就相当于操作系统中的用户缓冲区。

以下是一个MappedByteBuffer的使用案例:

File file = new File(“jw.txt”);

try {

FileChannel fc = new RandomAccessFile(file, “rw”).getChannel();

MappedByteBuffer map = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, file.length());

map.put(“jiangwang”.getBytes());

fc.position(file.length());

map.clear();

fc.write(map);

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

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上述示例中,通过FileChannel.map()方法来创建MappedByteBuffer,该方法底层就是调用Linux的 mmap()实现的。

该方法将内核缓冲区的内存和用户缓冲区的内存做了一个地址映射。这种方式适合读取大文件,同时也能对文件内容进行更改,但是如果其后要通过SocketChannel发送,还是需要CPU进行数据的拷贝。

使用MappedByteBuffer,如果是小文件,执行效率不高;而且MappedByteBuffer只能通过调用FileChannelmap()取得,再没有其他方式。因此,Java 中设计MappedByteBuffer就是为大文件准备的。

2、Java 提供 sendfile 方式

Java FileChannel.transferTo() 底层实现就是通过 Linux 的 sendfile实现的。该方法直接将当前通道内容传输到另一个通道,没有涉及Buffer的任何操作。

以下是FileChannel.transferTo() 的使用示例:

//使用sendfile:读取磁盘文件,并网络发送

FileChannel sourceChannel = new RandomAccessFile(source, “rw”).getChannel();

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(sa);

sourceChannel.transferTo(0, sourceChannel.size(), socketChannel);

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Netty 实现零拷贝


Netty 中的零拷贝的实现是基于 Java 的,换言之,底层也是基于操作系统实现的。相对于

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Java 中的零拷贝而言,Netty 的零拷贝更多的是偏向于优化数据操作的概念。

Netty 中的零拷贝体现在以下几个方面:

  • Netty 提供了CompositeByteBuf类,它可以将多个ByteBuf合并为一个逻辑上的ByteBuf,避免了各个ByteBuf之间的复制。

  • 通过wrap操作,可以将 byte [] 数组、ByteBuf、ByteBuffer等包装成一个 Netty ByteBuf 对象,进而避免了复制操作。

  • ByteBuf支持slice操作,因此可以将ByteBuf分解为多个共享同一个存储区域的ByteBuf,避免了内存的复制。

  • 通过FileRegion包装的FileChannel.transferTo()实现文件传输,可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标Channel,避免了通过循环 while方式导致的内存复制问题。

从上面几个方法可以看出,前三个方法都是广义零拷贝,其实现方式都是为了减少不必要的数据复制,偏向于应用层数据优化操作。而第四个方法,FileRegion

包装的FileChannel.transferTo(),才是真正的零拷贝(狭义零拷贝)。

下面分别来看其每一种实现。

1、CompositeByteBuf 方式

CompositeByteBuf 将多个ByteBuf合并为一个逻辑上的ByteBuf,类似于用一个链表,把分散的多个ByteBuf通过引用连接起来。分散的多个ByteBuf在内存中可能是大小各异、互不相连的区域,通过链表串联起来,作为一块逻辑上的大区域。而在实际数据读取时,还是会去各自每一小块上读取。

下图展示了 CompositeByteBuf 的原理:

Netty 源码分析系列(八)Netty 如何实现零拷贝,字节跳动Java岗经典面试真题

以下是 CompositeByteBuf 使用的代码示例:

ByteBuf header = …

ByteBuf body = …

CompositeByteBuf compositeBuffer = Unpooled.compositeBuffer();

compositeBuffer.addComponents(true, header,body);

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2、wrap 方式

可以通过 wrap操作来实现零拷贝。

通过 wrap 操作,可以将 byte [] 数组、ByteBuf、ByteBuffer等包装成一个 Netty ByteBuf 对象。

例如,通过 Unpooled.wrappedBuffer方法来将 bytes 包装成为一个UnpooledHeapByteBuf对象,而在包装的过程中,是不会有复制操作的。即最后生成的 ByteBuf 对象是和 bytes 数组共用了同一个存储空间,对 bytes 的修改也会反映到 ByteBuf 对象中。

以下是Unpooled.wrappedBuffer使用的代码示例:

ByteBuf header = …

ByteBuf body = …

ByteBuf allByteBuf = Unpooled.wrappedBuffer(header,body);

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3、slice 方式

可以通过 slice 方式实现零拷贝,原理图如下:

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通过 Slice 操作,将ByteBuf分解为多个共享同一个存储区域的ByteBuf。slice 恰好是将一整块区域,划分成逻辑上的独立小区域,在读取每个逻辑上的小区域时,实际会去按 slice(int index,int length)方法中的indexlength去读取原内存 buffer 的数据。

以下是 slice 使用的示例代码:

ByteBuf bytebuf = …

ByteBuf header = bytebuf.slice(0,5);

ByteBuf body = bytebuf.slice(5,10);

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4、 FileRegion 方式

FileRegion底层包装的是 Java 的FileChannel.transferTo()实现文件传输,因此可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标Channel。这种方式才是真正操作系统级别的零拷贝。

以下是FileRegion使用的代码示例:

public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) throws Exception {

RandomAccessFile raf = null;

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