前言：

    上文我们介绍了下FileChannel的基本API使用。本文中，我们就一起看下FileChannel中的高阶API。

    说是高阶，还真的就是，这些知识点大量利用了操作系统的对文件传输映射的高级玩法，极大的提高了我们操作文件的效率。我们熟知的kafka、rocketMQ等也是用了这些高阶API，才有如此的高效率。

    我们提出一个需求，描述如下：提供一个对外的socket服务，该服务就是获取指定文件目录下的文件，并写出到socket中，最终展现在client端。

1.传统的文件网络传输过程

    按照此需求，常规方式，我们使用如下代码来完成：

File file = new File("D:\\test.txt");
Long size = file.length();
byte[] arr = new byte[size.intValue()];

try {
    // 1.将test.txt文件内容读取到arr中
    FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file);
    fileInputStream.read(arr);

    // 2.提供对外服务
    Socket socket = new ServerSocket(9999).accept();

    // 3.传输到客户端
    socket.getOutputStream().write(arr);
} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

以上是一个最简单版本的实现。

那么从操作系统的角度，以上传输经历了哪些过程呢？

这中间的过程我们可以分为以下几步： fileInputStream.read方法对应于： 1）第一次复制：read方法调用，用户态切换到内核态。数据从硬盘拷贝到内核缓冲区，基于DMA自动操作，不需要CPU支持 2）第二次复制：从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区（也就是byte[] arr中）。read方法返回，用内核态到用户态的转换。 socket.getOutputStream().write(arr)对应于： 3）第三次复制：从用户缓冲区拷贝数据到socket的内核缓冲区。write方法调用，用户态切换到内核态。 4）数据从socket内核缓冲区，使用DMA拷贝到网络协议引擎。write方法返回，内核态切换到用户态。 从上面的过程我们可以发现，数据发生了四次拷贝，四次上下文切换。 那么还有没有优化方式呢？答案是肯定的，我们接着往下看。

2.mmap优化

    mmap通过内存映射，将文件直接映射到内存中。此时，用户空间和内核空间可以共享这段内存空间的内容。用户对内存内容的修改可以直接反馈到磁盘文件上。 FileChannel提供了map方法来实现mmap功能

File file = new File("D:\\test.txt");
Long size = file.length();
byte[] arr = new byte[size.intValue()];

try {
    // 1.将test.txt文件内容读取到arr中
    RandomAccessFile raFile = new RandomAccessFile(file, "rwd");
    FileChannel channel = raFile.getChannel();
    MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, size);

    // 2.提供对外服务
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

    serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);

    while(true){
        SocketChannel socketChannel =
            serverSocketChannel.accept();

        if(socketChannel != null){
            // 3.传输到客户端
            socketChannel.write(mappedByteBuffer);
        }
    }

} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

我们直接将file的内容映射到mappedByteBuffer，然后直接将mappedByteBuffer的内容传递出去。 那么从操作系统的角度，以上传输经历了哪些过程呢？

 

参考1中的四个步骤，少了一次内存拷贝，就是将文件从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区这一步；但是上下文切换并没有减少。

3.sendFile优化（Linux2.1版本）

Linux2.1版本提供了sendFile函数，该函数对本例有哪些优化呢？ 就是可以将数据不经过用户态，直接从内核文件缓冲区传输到Socket缓冲区
  FileChannel提供transferTo（和transferFrom）方法来实现sendFile功能

File file = new File("D:\\test.txt");
Long size = file.length();

try {
    // 1.将test.txt文件内容读取到arr中
    RandomAccessFile raFile = new RandomAccessFile(file, "rwd");
    FileChannel channel = raFile.getChannel();

    // 2.提供对外服务
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

    serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);

    while(true){
        SocketChannel socketChannel =
            serverSocketChannel.accept();

        if(socketChannel != null){
            // 3.使用transferTo方法将文件数据传输到客户端
            channel.transferTo(0, size, socketChannel);
        }
    }
} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

同2中的代码，只是在最后一步将文件内容传输到socket时，使用了不一样的方法，本例中使用了FileChannel.transferTo方法来传递数据。 那么从操作系统的角度，以上传输经历了哪些过程呢？

 

参照1中的4个过程，少了用户空间的参与，那么就不存在用户态与内核态的切换。 所以，总结下来，就是减少了两次上下文切换，同时，减少了一次数据拷贝。 注意：剩下的是哪两次上下文切换呢？用户进程调用transferTo方法，用户态切换到内核态；调用方法返回，内核态切换到用户态。

4.sendFile优化（Linux2.4版本）

    在Linux2.4版本，sendFile做了一些优化，避免了从内核文件缓冲区拷贝到Socket缓冲区的操作，直接拷贝到网卡，再次减少了一次拷贝。 代码同3，只是具体实现时的操作系统不太一样而已。 那么从操作系统的角度，其传输经历了哪些过程呢？

 

参照1中的4个操作过程，同样少了用户空间的参与，也不存在用户态与内核态的切换。

所以总结下来，就是两次数据拷贝，两次上下文切换（相比较3就是减少了内核文件缓冲区到内核socket缓冲区的拷贝）

总结：

    下面我们通过一个图表来展示下以上四种传输方式的异同

传输方式	上下文切换次数	数据拷贝次数
传统IO方式	4	4
mmap方式	4	3
sendFile（Linux2.1）	2	3
sendFile（Linux2.4）	2	2

实际，以上sendFile的数据传输方式就是我们常说的零拷贝。 可能会有些疑问，哪怕Linux2.4版本的sendFile函数不也是有两次数据拷贝嘛，为什么会说是零拷贝呢？ 笔者拷贝了一段话，解释的蛮有意思的：

首先我们说零拷贝，是从操作系统的角度来说的。因为内核缓冲区之间，没有数据是重复的（只有 kernel buffer 有一份数据，
sendFile 2.1 版本实际上有 2 份数据，算不上零拷贝）。例如我们刚开始的例子，内核缓存区和 Socket 缓冲区的数据就是重复的。

而零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的 CPU 缓存伪共享以及无 CPU 校验和计算。
再稍微讲讲 mmap 和 sendFile 的区别。

参考：

linux下的mmap和零拷贝技术 - 简书

mmap与sendfile() - 简书