前言：
3.sendFile优化（Linux2.1版本）
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。
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44mmap方式43sendFile（Linux2.1）23sendFile（Linux2.4）22
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。linux下的mmap和零拷贝技术 - 简书
mmap与sendfile() - 简书
