Java NIO - 零拷贝实现
【摘要】 《第七十一篇 零拷贝怎么实现了》
这里转一篇Java NIO 零拷贝的实现文章，在此之前建议先理解什么是Linux中零拷贝，可以先看这篇文章。本文从源码着手分析了 Java NIO 对零拷贝的实现，主要包括基于内存映射（mmap）方式的 MappedByteBuffer 以及基于 sendfile 方式的 FileChannel。最后在篇末简单的阐述了一下 Netty 中的零拷贝机制，以及 RocketMQ 和 Kafka 两种消息队列在零拷贝实现方式上的区别；
Java NIO零拷贝
在 Java NIO 中的通道（Channel）就相当于操作系统的内核空间（kernel space）的缓冲区，而缓冲区（Buffer）对应的相当于操作系统的用户空间（user space）中的用户缓冲区（user buffer）。
- 通道（Channel）是全双工的（双向传输），它既可能是读缓冲区（read buffer），也可能是网络缓冲区（socket buffer）。
- 缓冲区（Buffer）分为堆内存（HeapBuffer）和堆外内存（DirectBuffer），这是通过 malloc() 分配出来的用户态内存。
堆外内存（DirectBuffer）在使用后需要应用程序手动回收，而堆内存（HeapBuffer）的数据在 GC 时可能会被自动回收。因此，在使用 HeapBuffer 读写数据时，为了避免缓冲区数据因为 GC 而丢失，NIO 会先把 HeapBuffer 内部的数据拷贝到一个临时的 DirectBuffer 中的本地内存（native memory），这个拷贝涉及到 sun.misc.Unsafe.copyMemory() 的调用，背后的实现原理与 memcpy() 类似。 最后，将临时生成的 DirectBuffer 内部的数据的内存地址传给 I/O 调用函数，这样就避免了再去访问 Java 对象处理 I/O 读写。
MappedByteBuffer
MappedByteBuffer 是 NIO 基于**内存映射（mmap）**这种零拷贝方式的提供的一种实现，它继承自 ByteBuffer。FileChannel 定义了一个 map() 方法，它可以把一个文件从 position 位置开始的 size 大小的区域映射为内存映像文件。抽象方法 map() 方法在 FileChannel 中的定义如下：
public abstract MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size)
throws IOException;
- mode：限定内存映射区域（MappedByteBuffer）对内存映像文件的访问模式，包括只可读（READ_ONLY）、可读可写（READ_WRITE）和写时拷贝（PRIVATE）三种模式。
- position：文件映射的起始地址，对应内存映射区域（MappedByteBuffer）的首地址。
- size：文件映射的字节长度，从 position 往后的字节数，对应内存映射区域（MappedByteBuffer）的大小。
MappedByteBuffer 相比 ByteBuffer 新增了 fore()、load() 和 isLoad() 三个重要的方法：
- fore()：对于处于 READ_WRITE 模式下的缓冲区，把对缓冲区内容的修改强制刷新到本地文件。
- load()：将缓冲区的内容载入物理内存中，并返回这个缓冲区的引用。
- isLoaded()：如果缓冲区的内容在物理内存中，则返回 true，否则返回 false。
下面给出一个利用 MappedByteBuffer 对文件进行读写的使用示例：
private final static String CONTENT = "Zero copy implemented by MappedByteBuffer";
private final static String FILE_NAME = "/mmap.txt";
private final static String CHARSET = "UTF-8";
- 写文件数据：打开文件通道 fileChannel 并提供读权限、写权限和数据清空权限，通过 fileChannel 映射到一个可写的内存缓冲区 mappedByteBuffer，将目标数据写入 mappedByteBuffer，通过
force()方法把缓冲区更改的内容强制写入本地文件。
@Test
public void writeToFileByMappedByteBuffer() {
Path path = Paths.get(getClass().getResource(FILE_NAME).getPath());
byte[] bytes = CONTENT.getBytes(Charset.forName(CHARSET));
try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ,
StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.TRUNCATE_EXISTING)) {
MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(READ_WRITE, 0, bytes.length);
if (mappedByteBuffer != null) {
mappedByteBuffer.put(bytes);
mappedByteBuffer.force();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
- 读文件数据：打开文件通道 fileChannel 并提供只读权限，通过 fileChannel 映射到一个只可读的内存缓冲区 mappedByteBuffer，读取 mappedByteBuffer 中的字节数组即可得到文件数据。
@Test
public void readFromFileByMappedByteBuffer() {
Path path = Paths.get(getClass().getResource(FILE_NAME).getPath());
int length = CONTENT.getBytes(Charset.forName(CHARSET)).length;
try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ)) {
MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(READ_ONLY, 0, length);
if (mappedByteBuffer != null) {
byte[] bytes = new byte[length];
mappedByteBuffer.get(bytes);
String content = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
assertEquals(content, "Zero copy implemented by MappedByteBuffer");
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
下面介绍
map() 方法的底层实现原理。map() 方法是 java.nio.channels.FileChannel 的抽象方法，由子类 sun.nio.ch.FileChannelImpl.java 实现，下面是和内存映射相关的核心代码：
public MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size) throws IOException {
int pagePosition = (int)(position % allocationGranularity);
long mapPosition = position - pagePosition;
long mapSize = size + pagePosition;
try {
addr = map0(imode, mapPosition, mapSize);
} catch (OutOfMemoryError x) {
System.gc();
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException y) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
try {
addr = map0(imode, mapPosition, mapSize);
} catch (OutOfMemoryError y) {
throw new IOException("Map failed", y);
}
}
int isize = (int)size;
Unmapper um = new Unmapper(addr, mapSize, isize, mfd);
if ((!writable) || (imode == MAP_RO)) {
return Util.newMappedByteBufferR(isize, addr + pagePosition, mfd, um);
} else {
return Util.newMappedByteBuffer(isize, addr + pagePosition, mfd, um);
}
}
map() 方法通过本地方法 map0() 为文件分配一块虚拟内存，作为它的内存映射区域，然后返回这块内存映射区域的起始地址。
- 文件映射需要在 Java 堆中创建一个 MappedByteBuffer 的实例。如果第一次文件映射导致 OOM，则手动触发垃圾回收，休眠 100ms 后再尝试映射，如果失败则抛出异常。
- 通过 Util 的 newMappedByteBuffer （可读可写）方法或者 newMappedByteBufferR（仅读） 方法方法反射创建一个 DirectByteBuffer 实例，其中 DirectByteBuffer 是 MappedByteBuffer 的子类。
map() 方法返回的是内存映射区域的起始地址，通过（起始地址 + 偏移量）就可以获取指定内存的数据。这样一定程度上替代了 read() 或 write() 方法，底层直接采用 sun.misc.Unsafe类的 getByte() 和 putByte() 方法对数据进行读写。
private native long map0(int prot, long position, long mapSize) throws IOException;
上面是本地方法（native method）map0 的定义，它通过 JNI（Java Native Interface）调用底层 C 的实现，这个 native 函数（Java_sun_nio_ch_FileChannelImpl_map0）的实现位于 JDK 源码包下的 native/sun/nio/ch/FileChannelImpl.c这个源文件里面。
JNIEXPORT jlong JNICALL
Java_sun_nio_ch_FileChannelImpl_map0(JNIEnv *env, jobject this,
jint prot, jlong off, jlong len)
{
void *mapAddress = 0;
jobject fdo = (*env)->GetObjectField(env, this, chan_fd);
jint fd = fdval(env, fdo);
int protections = 0;
int flags = 0;
if (prot == sun_nio_ch_FileChannelImpl_MAP_RO) {
protections = PROT_READ;
flags = MAP_SHARED;
} else if (prot == sun_nio_ch_FileChannelImpl_MAP_RW) {
protections = PROT_WRITE | PROT_READ;
flags = MAP_SHARED;
} else if (prot == sun_nio_ch_FileChannelImpl_MAP_PV) {
protections = PROT_WRITE | PROT_READ;
flags = MAP_PRIVATE;
}
mapAddress = mmap64(
0, /* Let OS decide location */
len, /* Number of bytes to map */
protections, /* File permissions */
flags, /* Changes are shared */
fd, /* File descriptor of mapped file */
off); /* Offset into file */
if (mapAddress == MAP_FAILED) {
if (errno == ENOMEM) {
JNU_ThrowOutOfMemoryError(env, "Map failed");
return IOS_THROWN;
}
return handle(env, -1, "Map failed");
}
return ((jlong) (unsigned long) mapAddress);
}
可以看出 map0() 函数最终是通过
mmap64() 这个函数对 Linux 底层内核发出内存映射的调用， mmap64() 函数的原型如下：
#include <sys/mman.h>
void *mmap64(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off64_t offset);
下面详细介绍一下 mmap64() 函数各个参数的含义以及参数可选值：
addr：文件在用户进程空间的内存映射区中的起始地址，是一个建议的参数，通常可设置为 0 或 NULL，此时由内核去决定真实的起始地址。当 + flags 为 MAP_FIXED 时，addr 就是一个必选的参数，即需要提供一个存在的地址。len：文件需要进行内存映射的字节长度prot：控制用户进程对内存映射区的访问权限PROT_READ：读权限PROT_WRITE：写权限PROT_EXEC：执行权限PROT_NONE：无权限
flags：控制内存映射区的修改是否被多个进程共享MAP_PRIVATE：对内存映射区数据的修改不会反映到真正的文件，数据修改发生时采用写时复制机制MAP_SHARED：对内存映射区的修改会同步到真正的文件，修改对共享此内存映射区的进程是可见的MAP_FIXED：不建议使用，这种模式下 addr 参数指定的必须的提供一个存在的 addr 参数
fd：文件描述符。每次 map 操作会导致文件的引用计数加 1，每次 unmap 操作或者结束进程会导致引用计数减 1offset：文件偏移量。进行映射的文件位置，从文件起始地址向后的位移量
下面总结一下 MappedByteBuffer 的特点和不足之处：
- MappedByteBuffer 使用是堆外的虚拟内存，因此分配（map）的内存大小不受 JVM 的 -Xmx 参数限制，但是也是有大小限制的。 如果当文件超出 Integer.MAX_VALUE 字节限制时，可以通过 position 参数重新 map 文件后面的内容。
- MappedByteBuffer 在处理大文件时性能的确很高，但也存内存占用、文件关闭不确定等问题，被其打开的文件只有在垃圾回收的才会被关闭，而且这个时间点是不确定的。
- MappedByteBuffer 提供了文件映射内存的 mmap() 方法，也提供了释放映射内存的 unmap() 方法。然而 unmap() 是 FileChannelImpl 中的私有方法，无法直接显示调用。因此，用户程序需要通过 Java 反射的调用 sun.misc.Cleaner 类的 clean() 方法手动释放映射占用的内存区域。
public static void clean(final Object buffer) throws Exception {
AccessController.doPrivileged((PrivilegedAction<Void>) () -> {
try {
Method getCleanerMethod = buffer.getClass().getMethod("cleaner", new Class[0]);
getCleanerMethod.setAccessible(true);
Cleaner cleaner = (Cleaner) getCleanerMethod.invoke(buffer, new Object[0]);
cleaner.clean();
} catch(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
DirectByteBuffer
DirectByteBuffer 的对象引用位于 Java 内存模型的堆里面，JVM 可以对 DirectByteBuffer 的对象进行内存分配和回收管理，一般使用 DirectByteBuffer 的静态方法 allocateDirect() 创建 DirectByteBuffer 实例并分配内存。
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}
DirectByteBuffer 内部的字节缓冲区位在于堆外的（用户态）直接内存，它是通过 Unsafe 的本地方法 allocateMemory() 进行内存分配，底层调用的是操作系统的 malloc() 函数。
DirectByteBuffer(int cap) {
super(-1, 0, cap, cap);
boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
int ps = Bits.pageSize();
long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
Bits.reserveMemory(size, cap);
long base = 0;
try {
base = unsafe.allocateMemory(size);
} catch (OutOfMemoryError x) {
Bits.unreserveMemory(size, cap);
throw x;
}
unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
if (pa && (base % ps != 0)) {
address = base + ps - (base & (ps - 1));
} else {
address = base;
}
cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
att = null;
}
除此之外，初始化 DirectByteBuffer 时还会创建一个 Deallocator 线程，并通过 Cleaner 的 freeMemory() 方法来对直接内存进行回收操作，freeMemory() 底层调用的是操作系统的 free() 函数。
private static class Deallocator implements Runnable {
private static Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private long address;
private long size;
private int capacity;
private Deallocator(long address, long size, int capacity) {
assert (address != 0);
this.address = address;
this.size = size;
this.capacity = capacity;
}
public void run() {
if (address == 0) {
return;
}
unsafe.freeMemory(address);
address = 0;
Bits.unreserveMemory(size, capacity);
}
}
由于使用 DirectByteBuffer 分配的是系统本地的内存，不在 JVM 的管控范围之内，因此直接内存的回收和堆内存的回收不同，直接内存如果使用不当，很容易造成 OutOfMemoryError。
说了这么多，那么 DirectByteBuffer 和零拷贝有什么关系？前面有提到在 MappedByteBuffer 进行内存映射时，它的 map() 方法会通过 Util.newMappedByteBuffer() 来创建一个缓冲区实例，初始化的代码如下：
static MappedByteBuffer newMappedByteBuffer(int size, long addr, FileDescriptor fd,
Runnable unmapper) {
MappedByteBuffer dbb;
if (directByteBufferConstructor == null)
initDBBConstructor();
try {
dbb = (MappedByteBuffer)directByteBufferConstructor.newInstance(
new Object[] { new Integer(size), new Long(addr), fd, unmapper });
} catch (InstantiationException | IllegalAccessException | InvocationTargetException e) {
throw new InternalError(e);
}
return dbb;
}
private static void initDBBRConstructor() {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
try {
Class<?> cl = Class.forName("java.nio.DirectByteBufferR");
Constructor<?> ctor = cl.getDeclaredConstructor(
new Class<?>[] { int.class, long.class, FileDescriptor.class,
Runnable.class });
ctor.setAccessible(true);
directByteBufferRConstructor = ctor;
} catch (ClassNotFoundException | NoSuchMethodException |
IllegalArgumentException | ClassCastException x) {
throw new InternalError(x);
}
return null;
}});
}
DirectByteBuffer 是 MappedByteBuffer 的具体实现类。实际上，Util.newMappedByteBuffer() 方法通过反射机制获取 DirectByteBuffer 的构造器，然后创建一个 DirectByteBuffer 的实例，对应的是一个单独用于内存映射的构造方法：
protected DirectByteBuffer(int cap, long addr, FileDescriptor fd, Runnable unmapper) {
super(-1, 0, cap, cap, fd);
address = addr;
cleaner = Cleaner.create(this, unmapper);
att = null;
}
因此，除了允许分配操作系统的直接内存以外，DirectByteBuffer 本身也具有文件内存映射的功能，这里不做过多说明。我们需要关注的是，DirectByteBuffer 在 MappedByteBuffer 的基础上提供了内存映像文件的随机读取 get() 和写入 write() 的操作。
- 内存映像文件的随机读操作
public byte get() {
return ((unsafe.getByte(ix(nextGetIndex()))));
}
public byte get(int i) {
return ((unsafe.getByte(ix(checkIndex(i)))));
}
- 内存映像文件的随机写操作
public ByteBuffer put(byte x) {
unsafe.putByte(ix(nextPutIndex()), ((x)));
return this;
}
public ByteBuffer put(int i, byte x) {
unsafe.putByte(ix(checkIndex(i)), ((x)));
return this;
}
内存映像文件的随机读写都是借助 ix() 方法实现定位的， ix() 方法通过内存映射空间的内存首地址（address）和给定偏移量 i 计算出指针地址，然后由 unsafe 类的 get() 和 put() 方法和对指针指向的数据进行读取或写入。
private long ix(int i) {
return address + ((long)i << 0);
}
FileChannel
FileChannel 是一个用于文件读写、映射和操作的通道，同时它在并发环境下是线程安全的，基于 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 的 getChannel() 方法可以创建并打开一个文件通道。FileChannel 定义了 transferFrom() 和 transferTo() 两个抽象方法，它通过在通道和通道之间建立连接实现数据传输的。
transferTo()：通过 FileChannel 把文件里面的源数据写入一个 WritableByteChannel 的目的通道。
public abstract long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)
throws IOException;
transferFrom()：把一个源通道 ReadableByteChannel 中的数据读取到当前 FileChannel 的文件里面。
public abstract long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)
throws IOException;
下面给出 FileChannel 利用 transferTo() 和 transferFrom() 方法进行数据传输的使用示例：
private static final String CONTENT = "Zero copy implemented by FileChannel";
private static final String SOURCE_FILE = "/source.txt";
private static final String TARGET_FILE = "/target.txt";
private static final String CHARSET = "UTF-8";
首先在类加载根路径下创建 source.txt 和 target.txt 两个文件，对源文件 source.txt 文件写入初始化数据。
@Before
public void setup() {
Path source = Paths.get(getClassPath(SOURCE_FILE));
byte[] bytes = CONTENT.getBytes(Charset.forName(CHARSET));
try (FileChannel fromChannel = FileChannel.open(source, StandardOpenOption.READ,
StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.TRUNCATE_EXISTING)) {
fromChannel.write(ByteBuffer.wrap(bytes));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
对于 transferTo() 方法而言，目的通道 toChannel 可以是任意的单向字节写通道 WritableByteChannel；而对于 transferFrom() 方法而言，源通道 fromChannel 可以是任意的单向字节读通道 ReadableByteChannel。其中，FileChannel、SocketChannel 和 DatagramChannel 等通道实现了 WritableByteChannel 和 ReadableByteChannel 接口，都是同时支持读写的双向通道。为了方便测试，下面给出基于 FileChannel 完成 channel-to-channel 的数据传输示例。
通过 transferTo() 将 fromChannel 中的数据拷贝到 toChannel
@Test
public void transferTo() throws Exception {
try (FileChannel fromChannel = new RandomAccessFile(
getClassPath(SOURCE_FILE), "rw").getChannel();
FileChannel toChannel = new RandomAccessFile(
getClassPath(TARGET_FILE), "rw").getChannel()) {
long position = 0L;
long offset = fromChannel.size();
fromChannel.transferTo(position, offset, toChannel);
}
}
通过 transferFrom() 将 fromChannel 中的数据拷贝到 toChannel
@Test
public void transferFrom() throws Exception {
try (FileChannel fromChannel = new RandomAccessFile(
getClassPath(SOURCE_FILE), "rw").getChannel();
FileChannel toChannel = new RandomAccessFile(
getClassPath(TARGET_FILE), "rw").getChannel()) {
long position = 0L;
long offset = fromChannel.size();
toChannel.transferFrom(fromChannel, position, offset);
}
}
下面介绍 transferTo() 和 transferFrom() 方法的底层实现原理，这两个方法也是 java.nio.channels.FileChannel 的抽象方法，由子类 sun.nio.ch.FileChannelImpl.java 实现。transferTo() 和 transferFrom() 底层都是基于 sendfile 实现数据传输的，其中 FileChannelImpl.java 定义了 3 个常量，用于标示当前操作系统的内核是否支持 sendfile 以及 sendfile 的相关特性。
private static volatile boolean transferSupported = true;
private static volatile boolean pipeSupported = true;
private static volatile boolean fileSupported = true;
transferSupported：用于标记当前的系统内核是否支持 sendfile() 调用，默认为 true。pipeSupported：用于标记当前的系统内核是否支持文件描述符（fd）基于管道（pipe）的 sendfile() 调用，默认为 true。fileSupported：用于标记当前的系统内核是否支持文件描述符（fd）基于文件（file）的 sendfile() 调用，默认为 true。
下面以 transferTo() 的源码实现为例。FileChannelImpl 首先执行 transferToDirectly() 方法，以 sendfile 的零拷贝方式尝试数据拷贝。如果系统内核不支持 sendfile，进一步执行 transferToTrustedChannel() 方法，以 mmap 的零拷贝方式进行内存映射，这种情况下目的通道必须是 FileChannelImpl 或者 SelChImpl 类型。如果以上两步都失败了，则执行 transferToArbitraryChannel() 方法，基于传统的 I/O 方式完成读写，具体步骤是初始化一个临时的 DirectBuffer，将源通道 FileChannel 的数据读取到 DirectBuffer，再写入目的通道 WritableByteChannel 里面。
public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)
throws IOException {
// 计算文件的大小
long sz = size();
// 校验起始位置
if (position > sz)
return 0;
int icount = (int)Math.min(count, Integer.MAX_VALUE);
// 校验偏移量
if ((sz - position) < icount)
icount = (int)(sz - position);
long n;
if ((n = transferToDirectly(position, icount, target)) >= 0)
return n;
if ((n = transferToTrustedChannel(position, icount, target)) >= 0)
return n;
return transferToArbitraryChannel(position, icount, target);
}
接下来重点分析一下 transferToDirectly() 方法的实现，也就是 transferTo() 通过 sendfile 实现零拷贝的精髓所在。可以看到，transferToDirectlyInternal() 方法先获取到目的通道 WritableByteChannel 的文件描述符 targetFD，获取同步锁然后执行 transferToDirectlyInternal() 方法。
private long transferToDirectly(long position, int icount, WritableByteChannel target)
throws IOException {
// 省略从target获取targetFD的过程
if (nd.transferToDirectlyNeedsPositionLock()) {
synchronized (positionLock) {
long pos = position();
try {
return transferToDirectlyInternal(position, icount,
target, targetFD);
} finally {
position(pos);
}
}
} else {
return transferToDirectlyInternal(position, icount, target, targetFD);
}
}
最终由 transferToDirectlyInternal() 调用本地方法 transferTo0() ，尝试以 sendfile 的方式进行数据传输。如果系统内核完全不支持 sendfile，比如 Windows 操作系统，则返回 UNSUPPORTED 并把 transferSupported 标识为 false。如果系统内核不支持 sendfile 的一些特性，比如说低版本的 Linux 内核不支持 DMA gather copy 操作，则返回 UNSUPPORTED_CASE 并把 pipeSupported 或者 fileSupported 标识为 false。
private long transferToDirectlyInternal(long position, int icount,
WritableByteChannel target,
FileDescriptor targetFD) throws IOException {
assert !nd.transferToDirectlyNeedsPositionLock() ||
Thread.holdsLock(positionLock);
long n = -1;
int ti = -1;
try {
begin();
ti = threads.add();
if (!isOpen())
return -1;
do {
n = transferTo0(fd, position, icount, targetFD);
} while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
if (n == IOStatus.UNSUPPORTED_CASE) {
if (target instanceof SinkChannelImpl)
pipeSupported = false;
if (target instanceof FileChannelImpl)
fileSupported = false;
return IOStatus.UNSUPPORTED_CASE;
}
if (n == IOStatus.UNSUPPORTED) {
transferSupported = false;
return IOStatus.UNSUPPORTED;
}
return IOStatus.normalize(n);
} finally {
threads.remove(ti);
end (n > -1);
}
}
本地方法（native method）transferTo0() 通过 JNI（Java Native Interface）调用底层 C 的函数，这个 native 函数（Java_sun_nio_ch_FileChannelImpl_transferTo0）同样位于 JDK 源码包下的 native/sun/nio/ch/FileChannelImpl.c 源文件里面。JNI 函数 Java_sun_nio_ch_FileChannelImpl_transferTo0() 基于条件编译对不同的系统进行预编译，下面是 JDK 基于 Linux 系统内核对 transferTo() 提供的调用封装。
#if defined(__linux__) || defined(__solaris__)
#include <sys/sendfile.h>
#elif defined(_AIX)
#include <sys/socket.h>
#elif defined(_ALLBSD_SOURCE)
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/uio.h>
#define lseek64 lseek
#define mmap64 mmap
#endif
JNIEXPORT jlong JNICALL
Java_sun_nio_ch_FileChannelImpl_transferTo0(JNIEnv *env, jobject this,
jobject srcFDO,
jlong position, jlong count,
jobject dstFDO)
{
jint srcFD = fdval(env, srcFDO);
jint dstFD = fdval(env, dstFDO);
#if defined(__linux__)
off64_t offset = (off64_t)position;
jlong n = sendfile64(dstFD, srcFD, &offset, (size_t)count);
return n;
#elif defined(__solaris__)
result = sendfilev64(dstFD, &sfv, 1, &numBytes);
return result;
#elif defined(__APPLE__)
result = sendfile(srcFD, dstFD, position, &numBytes, NULL, 0);
return result;
#endif
}
对 Linux、Solaris 以及 Apple 系统而言，transferTo0() 函数底层会执行 sendfile64 这个系统调用完成零拷贝操作，sendfile64() 函数的原型如下：
#include <sys/sendfile.h>
ssize_t sendfile64(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
下面简单介绍一下 sendfile64() 函数各个参数的含义：
out_fd：待写入的文件描述符in_fd：待读取的文件描述符offset：指定 in_fd 对应文件流的读取位置，如果为空，则默认从起始位置开始count：指定在文件描述符 in_fd 和 out_fd 之间传输的字节数
在 Linux 2.6.3 之前，out_fd 必须是一个 socket，而从 Linux 2.6.3 以后，out_fd 可以是任何文件。也就是说，sendfile64() 函数不仅可以进行网络文件传输，还可以对本地文件实现零拷贝操作。
其它的零拷贝实现
Netty零拷贝
Netty 中的零拷贝和上面提到的操作系统层面上的零拷贝不太一样, 我们所说的 Netty 零拷贝完全是基于（Java 层面）用户态的，它的更多的是偏向于数据操作优化这样的概念，具体表现在以下几个方面：
Netty 通过 DefaultFileRegion 类对 java.nio.channels.FileChannel 的 tranferTo() 方法进行包装，在文件传输时可以将文件缓冲区的数据直接发送到目的通道（Channel）
ByteBuf 可以通过 wrap 操作把字节数组、ByteBuf、ByteBuffer 包装成一个 ByteBuf 对象, 进而避免了拷贝操作 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，避免了内存的拷贝 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 之间的拷贝 其中第 1 条属于操作系统层面的零拷贝操作，后面 3 条只能算用户层面的数据操作优化。
RocketMQ和Kafka对比
RocketMQ 选择了 mmap + write 这种零拷贝方式，适用于业务级消息这种小块文件的数据持久化和传输；而 Kafka 采用的是 sendfile 这种零拷贝方式，适用于系统日志消息这种高吞吐量的大块文件的数据持久化和传输。但是值得注意的一点是，Kafka 的索引文件使用的是 mmap + write 方式，数据文件使用的是 sendfile 方式。
参考文章
- 本文主要整理自 https://zhuanlan.zhihu.com/p/83398714
- 作者：零壹技术栈
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