一、传统IO

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出，其工作流程如下：

1、java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 cpu

DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO

2、从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte[] buf），这期间 cpu 会参与拷贝，无法利用 DMA

3、调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝4、接下来要向网卡写数据，这项能力 java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的。

• 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级

• 数据拷贝了共 4 次

二、NIO的优化

NIO的优化分为三步来完成，流程入如下：

第一步：通过 DirectByteBuf ，将用户缓冲区和内核缓冲区进行映射，从而实现直接访问

• ByteBuffer.allocate(10)  HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存

• ByteBuffer.allocateDirect(10)  DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存

• 这块内存不受 jvm 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写

• java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步

• DirectByteBuf 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列

• 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存

• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

第二步：transferTo/transferFrom 方法拷贝数据，避免用户缓存区的使用

进一步优化（底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法），java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据。

1、java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu

2、数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝

3、最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu

可以看到

• 只发生了一次用户态与内核态的切换

• 数据拷贝了 3 次

第三步：直接从内核缓冲区到网卡

进一步优化（linux 2.4）

1、java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu

2、只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗

3、使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu

整个过程仅只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有

• 更少的用户态与内核态的切换

• 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享

• 零拷贝适合小文件传输

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