Socket NIO原理和实现

最新推荐文章于 2024-01-28 14:32:32 发布

mylife512

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分类专栏： java 文章标签： java 开发语言

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本文探讨了传统I/O在读取文件并写入Socket时的性能开销，包括四次上下文切换和两次Buffer拷贝。然后介绍了NIO（Non-blocking I/O）中的Zero Copy技术，通过FileChannel.transferTo()方法和sendFile()系统调用，减少了两次不必要的Buffer拷贝，提高了效率。Linux2.4以后的内核进一步优化，直接将数据从读取Buffer拷贝到协议引擎，降低了内存开销。

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传统的I/O

使用传统的I/O程序读取文件内容, 并写入到另一个文件(或Socket), 如下程序:

File.read(fileDesc, buf, len);
Socket.send(socket, buf, len);

会有较大的性能开销, 主要表现在一下两方面:
1. 上下文切换(context switch), 此处有4次用户态和内核态的切换
2. Buffer内存开销, 一个是应用程序buffer, 另一个是系统读取buffer以及socket buffer
其运行示意图如下

1) 先将文件内容从磁盘中拷贝到操作系统buffer
2) 再从操作系统buffer拷贝到程序应用buffer
3) 从程序buffer拷贝到socket buffer
4) 从socket buffer拷贝到协议引擎.

NIO

zerocopy技术省去了将操作系统的read buffer拷贝到程序的buffer, 以及从程序buffer拷贝到socket buffer的步骤, 直接将 read buffer 拷贝到 socket buffer. java 的 FileChannel.transferTo() 方法就是这样的实现, 这个实现是依赖于操作系统底层的sendFile()实现的.

public void transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target);

他的底层调用的是系统调用sendFile()方法

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

如下图

这样, 省去了两次buffer的copy, Linux 2.4 及以后的内核, 又做了改进, 不再使用socket buffer, 而是直接将read buffer数据拷贝到协议引擎, 而socket buffer只会记录数据位置的描述符和数据长度,如下