Java面试34-Kafka的零拷贝原理

在实际应用中,如果我们需要把磁盘中的某个文件内容发送到远程服务器上,那么它必须要经过几个拷贝的过程:

  1. 从磁盘中读取目标文件内容拷贝到内核缓冲区
  2. CPU控制器再把内核缓冲区的数据复制到用户空间的缓冲区
  3. 在应用程序中,调用write()方法,把用户空间缓冲区中的数据拷贝到内核下的Socket Buffer中。
  4. 最后,把在内核模式下的Socket Buffer中的数据复制到网卡缓冲区(NIC Buffer),网卡缓冲区再把数据传输到目标服务器上。

在这个过程中可以发现,数据从磁盘到最终发送出去,要经历4次拷贝,而在这四次拷贝过程中,有两次拷贝是浪费的,分别是:从内核空间复制到用户空间从用户空间再次复制到内核空间。除此之外,由于用户空间和内核空间的切换会带来CPU的上下文切换,对于CPU性能也会造成性能影响。

零拷贝,就是把这两次多余的拷贝省略掉,应用程序可以直接把磁盘中的数据从内核中直接传输给Socket,而不需要再经过应用程序所在的用户空间 。零拷贝通过DMA(Direct Memory Access)技术把文件内容复制到内核空间中的Read Buffer,接着把包含数据位置和长度信息的文件描述符加载到Socket Buffer中,DMA引擎直接可以把数据从内核空间中传递给网卡设备。在这个流程中,数据只经历了两次拷贝就发送到了网卡中,并且减少了两次CPU的上下文切换,对于效率有非常大的提高。

所谓零拷贝,并不是完全没有数据复制,只是相对于用户空间来说,不再需要进行数据拷贝。对于前面说的整个流程来说,零拷贝只是减少了不必要的拷贝次数而已。在程序中实现零拷贝的方法有:

  • 在Linux中,零拷贝技术依赖于底层的sendfile()方法实现
  • 在Java中,FileChannel.transferTo()方法的底层实现就是sendfile()方法
  • mmap的文件映射机制,将磁盘文件映射到内存,用户通过修改内存就能修改磁盘文件,使用这种方式可以获取很大的I/O提升,省去了用户空间到内核空间复制的开销。
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