傳統IO

傳統IO的數據拷貝流程如下圖：

數據需要從磁盤拷貝到內核空間，再從內核空間拷到用戶空間（JVM）。

程序可能進行數據修改等操作

再將數據從用戶空間拷貝到內核空間，內核空間再拷貝到網卡內存，通過網絡發送出去（或拷貝到磁盤）。

即數據的讀寫（這里用戶空間發到網絡也算作寫），都至少需要兩次拷貝。

當然磁盤到內核空間屬于DMA拷貝（DMA即直接內存存取，原理是外部設備不通過CPU而直接與系統內存交換數據）。而內核空間到用戶空間則需要CPU的參與進行拷貝，既然需要CPU參與，也就涉及到了內核態和用戶態的相互切換，如下圖：

NIO的零拷貝

零拷貝的數據拷貝如下圖：

內核態與用戶態切換如下圖：

改進的地方：

• 我們已經將上下文切換次數從4次減少到了2次；
• 將數據拷貝次數從4次減少到了3次（其中只有1次涉及了CPU，另外2次是DMA直接存取）。

但這還沒有達到我們零拷貝的目標。如果底層NIC（網絡接口卡）支持gather操作，我們能進一步減少內核中的數據拷貝。在Linux 2.4以及更高版本的內核中，socket緩沖區描述符已被修改用來適應這個需求。這種方式不但減少多次的上下文切換，同時消除了需要CPU參與的重復的數據拷貝。用戶這邊的使用方式不變，而內部已經有了質的改變：

NIO的零拷貝由transferTo()方法實現。transferTo()方法將數據從FileChannel對象傳送到可寫的字節通道（如Socket Channel等）。在內部實現中，由native方法transferTo0()來實現，它依賴底層操作系統的支持。在UNIX和Linux系統中，調用這個方法將會引起sendfile()系統調用。

使用場景一般是：

文件較大，讀寫較慢，追求速度 JVM內存不足，不能加載太大數據 內存帶寬不夠，即存在其他程序或線程存在大量的IO操作，導致帶寬本來就小 123

以上都建立在不需要進行數據文件操作的情況下，如果既需要這樣的速度，也需要進行數據操作怎么辦？
那么使用NIO的直接內存！

NIO的直接內存

首先，它的作用位置處于傳統IO（BIO）與零拷貝之間，為何這么說？

• 傳統IO，可以把磁盤的文件經過內核空間，讀到JVM空間，然后進行各種操作，最后再寫到磁盤或是發送到網絡，效率較慢但支持數據文件操作。
• 零拷貝則是直接在內核空間完成文件讀取并轉到磁盤（或發送到網絡）。由于它沒有讀取文件數據到JVM這一環，因此程序無法操作該文件數據，盡管效率很高！

而直接內存則介于兩者之間，效率一般且可操作文件數據。直接內存（mmap技術）將文件直接映射到內核空間的內存，返回一個操作地址（address），它解決了文件數據需要拷貝到JVM才能進行操作的窘境。而是直接在內核空間直接進行操作，省去了內核空間拷貝到用戶空間這一步操作。

NIO的直接內存是由MappedByteBuffer實現的。核心即是map()方法，該方法把文件映射到內存中，獲得內存地址addr，然后通過這個addr構造MappedByteBuffer類，以暴露各種文件操作API。

由于MappedByteBuffer申請的是堆外內存，因此不受Minor GC控制，只能在發生Full GC時才能被回收。而DirectByteBuffer改善了這一情況，它是MappedByteBuffer類的子類，同時它實現了DirectBuffer接口，維護一個Cleaner對象來完成內存回收。因此它既可以通過Full GC來回收內存，也可以調用clean()方法來進行回收。

另外，直接內存的大小可通過jvm參數來設置：-XX:MaxDirectMemorySize。

NIO的MappedByteBuffer還有一個兄弟叫做HeapByteBuffer。顧名思義，它用來在堆中申請內存，本質是一個數組。由于它位于堆中，因此可受GC管控，易于回收。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的NIO与零拷贝的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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