零拷贝(Zero-copy), CPU不需要为数据在内存之间的拷贝消耗资源。而它通常是指计算机在网络上发送文件时，不需要将文件内容拷贝到用户空间（User Space）而直接在内核空间（Kernel Space）中传输到网络的方式。Zero Copy的模式中，避免了数据在用户空间和内存空间之间的拷贝，从而提高了系统的整体性能。
Netty 零复制场景
零拷贝是Netty的一个特性，主要发生在操作数据上，无须将数据buffer从一个内存区域拷贝到另个一内存区域，少一次拷贝，CPU效率就会提升。
Netty的零拷贝主要体现在以下5个方面中：
（1）Netty接收和发送ByteBuffer采用的都是堆外直接内存，使用堆外直接内存进行Socket的读/写，无须进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存进行Socket的读/写，则JVM会将堆内存Buffer数据拷贝到堆外直接内存中，然后才写入Socket中。与堆外直接内存相比，使用传统的堆内存，在消息的发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。
（2）在网络传输中，一条消息很可能会被分割成多个数据包进行发送，只有当收到一个完整的数据包后，才能完成解码工作。Netty通过组合内存的方式把这些内存数据包逻辑组合到一块，而不是对每个数据块进行一次拷贝，这类似于数据库中的视图。CompositeByteBuf是Netty在此零拷贝方案中的组合Buffer。
（3）Netty 使用 FileRegion 实现文件传输，FileRegion 底层封装了 FileChannel#transferTo() 方法，可以将文件缓冲区的数据直接传输到目标 Channel，避免内核缓冲区和用户态缓冲区之间的数据拷贝，这属于操作系统级别的零拷贝。
（4）通过 wrap 操作, 我们可以将 byte[] 数组、ByteBuf、ByteBuffer等包装成一个 Netty ByteBuf 对象, 进而避免了拷贝操作。
（5）Netty 提供了 ByteBuf 的浅层复制操作（ slice 、 duplicate ），可以将 ByteBuf 分解为多个共享同一个存储区域的 Byte Buf, 避免内存的拷贝。
ByteBuf 的浅层复制
浅层复制是一个非常重要的操作，可以很大程度第避免内存复制。ByteBuf的浅层复制分为两种：
- 切片（slice）浅层复制
- 整体（duplicate）浅层复制
切片（slice）浅层复制
ByteBuf的 slice 方法可以获取到一个 ByteBuf 的一个切片。一个 ByteBuf 可以进行多次的切片浅层复制；多次切片后的ByteBuf对象可以共享一个存储区域。
slice方法有两个重载版本：
public abstract class AbstractByteBuf extends ByteBuf {
/**
* 返回ByteBuf实例中可读部分的切片
* @return
*/
@Override
public ByteBuf slice() {
return slice(readerIndex, readableBytes());
}
/**
* 方法，可以通过灵活地设置不同起始位置和长度，来获取到
* ByteBuf 不同区域的切片。
* @param index 开始位置
* @param length 长度
* @return
*/
@Override
public ByteBuf slice(int index, int length) {
ensureAccessible();
return new UnpooledSlicedByteBuf(this, index, length);
}
}
调用slice() 方法后，返回的切片是一个新的 ByteBuf对象，切片后的新ByteBuf 有两个特点：
- 切片不可以写入，原因是maxCapacity 与WriterIndex 值相同；
- 切片和源ByteBuf的可读字节数相同，原因是：切片后的可读字节数为自己的属性 writerIndex = readerIndex ，也就是源 ByteBuf 的 readableBytes() =0 。
切片后的新ByteBuf 和源 ByteBuf 的关联性：
- 切片不会复制源 ByteBuf 的底层数据，底层数组和源 ByteBuf 的底层数组是同一个。
- 切片不会改变源 ByteBuf 的引用计数。
从根本上说，slice() 无参数方法所生成的切片就是源 ByteBuf 可读部分的浅层复制。
整体（duplicate）浅层复制
duplicate() 返回的是源 ByteBuf 的整个对象的一个浅层复制，包括如下内容：
- duplicate 的读写指针、最大容量值，与源 ByteBuf 的读写指针相同。
- duplicate() 不会改变源 B yteBuf 的引用计数。
- duplicate() 不会复制源 ByteBuf 的底层数据。
duplicate()和 slice() 方法都是浅层复制。不同的是， slice() 方法是切取一段的浅层复制， 而 duplicate( ) 是整体的浅层复制。
浅层复制方法不会实际去复制数据，也不会改变ByteBuf 的引用计数，这就会导致一个问题：在源 ByteBuf 调用 release() 之后，一旦引用计数为零，就变得不能访问了；在这种场景下，源 ByteBuf 的所有浅层复制实例也不能进行读写了；如果强行对浅层复制实例进行读写，则会报错。
因此，在调用浅层复制实例时，可以通过调用一次 retain() 方法来增加 一次 引用，表示它们对应的底层内存多了一次引用， 此后引用计数为 2 。在浅层复制实例用完后，需要调用一次 release() 方法，将引用计数减 1 ，这样就不影响 Netty 内部的 ByteBuf 的内存释放。
CompositeByteBuf
CompositeByteBuf的主要功能是组合多个ByteBuf，对外提供统一的readerIndex和writerIndex。由于它只是将多个ByteBuf的实例组装到一起形成了一个统一的视图，并没有对ByteBuf中的数据进行拷贝。
在 CompositeByteBuf 内部 , 合并的多个 ByteBuf 都是单独存在的。 CompositeByteBuf 里面有个 Component 数组，聚合的 ByteBuf 都放在 Component 数组里面，最小容量为16。
CompositeByteBuf的零复制主要应用与解码和编码。
将消息头和消息体两个ByteBuf组合到一块进行编码，在将ByteBuf写入缓冲区之前，需要对整个消息进行编码，如长度编码，此时需要把两个ByteBuf合并成一个，无须额外处理就可以知道其整体长度。因此使用CompositeByteBuf是非常适合的。
在解码时，由于Socket通信传输数据会产生粘包和半包问题，因此需要一个读半包字节容器，这个容器采用CompositeByteBuf比较合适，将每次从Socket中读到的数据直接放入此容器中，少了一次数据的拷贝。
如果不使用CompositeByteBuf，原始的将header 和body 合并成为一个ByteBuf的代码，代码如下：
//消息头
ByteBuf headerBuf = Unpooled.copiedBuffer("java RPC 框架：",utf8);
//消息体
ByteBuf bodyBuf = Unpooled.copiedBuffer("高性能netty",utf8);
long length = headerBuf.readableBytes() + bodyBuf.readableBytes();
ByteBuf allBuf = Unpooled.buffer(length);
//拷贝 header 数据
allBuf.writeBytes(headerBuf );
//拷贝 body 数据
allBuf.writeBytes(body);
使用CompositeByteBuf 合并多个 ByteBuf ，代码如下：
//消息头
ByteBuf headerBuf = Unpooled.copiedBuffer("java RPC 框架：",utf8);
//消息体
ByteBuf bodyBuf = Unpooled.copiedBuffer("高性能netty",utf8);
cbuf.addComponents(headerBuf,bodyBuf);
sendMsg(cbuf);
不使用CompositeByteBuf的情况下，将header 和 body 都拷贝到了新的 allBuf 中，增加了两次额外的数据拷贝操作 。使用 CompositeByteBuf 合并 ByteBuf ，减少两次额外的数据拷贝操作。
CompositeByteBuf内部定义了一个Component类型的集合。实际上，Component是ByteBuf的包装实现类，它聚合了ByteBuf对象并维护了ByteBuf对象在集合中的位置偏移量信息等。
private Component[] components; // resized when needed
添加ByteBuf 的方法addComponent()方法源码如下：
/**
* 添加bytebuf
*/
public CompositeByteBuf addComponent(boolean increaseWriterIndex, int cIndex, ByteBuf buffer) {
checkNotNull(buffer, "buffer");
//把buffer加入Component数组中
//并对数组中的元素进行相应的挪动
addComponent0(increaseWriterIndex, cIndex, buffer);
//是否需要合并成一个ByteBuf
consolidateIfNeeded();
return this;
}
/**
* Precondition is that {@code buffer != null}.
*/
private int addComponent0(boolean increaseWriterIndex, int cIndex, ByteBuf buffer) {
assert buffer != null;
boolean wasAdded = false;
try {
//检查下标是否正常
checkComponentIndex(cIndex);
// No need to consolidate - just add a component to the list.
//构建包装component
Component c = newComponent(ensureAccessible(buffer), 0);
int readableBytes = c.length();
// Check if we would overflow.
// See https://github.com/netty/netty/issues/10194
if (capacity() + readableBytes < 0) {
throw new IllegalArgumentException("Can't increase by " + readableBytes);
}
//把component追加到数组中,并移动其后面的元素
addComp(cIndex, c);
wasAdded = true;
if (readableBytes > 0 && cIndex < componentCount - 1) {
//当插入的位置不在数组末尾时,不仅需要设置插入元素的位置信息,还需要更新其后面元素的位置信息
updateComponentOffsets(cIndex);
} else if (cIndex > 0) {
//当插入的位置在数组末尾时,只需设置插入元素的位置信息即可
c.reposition(components[cIndex - 1].endOffset);
}
//是否修改写索引
if (increaseWriterIndex) {
writerIndex += readableBytes;
}
return cIndex;
} finally {
//当出现异常增加失败时,释放buffer
if (!wasAdded) {
buffer.release();
}
}
}
@SuppressWarnings("deprecation")
private Component newComponent(final ByteBuf buf, final int offset) {
//获取buf读索引及buf的长度
final int srcIndex = buf.readerIndex();
final int len = buf.readableBytes();
// unpeel any intermediate outer layers (UnreleasableByteBuf, LeakAwareByteBufs, SwappedByteBuf)
ByteBuf unwrapped = buf;
int unwrappedIndex = srcIndex;
while (unwrapped instanceof WrappedByteBuf || unwrapped instanceof SwappedByteBuf) {
unwrapped = unwrapped.unwrap();
}
/**
* 若是派生 ByteBuf，则需要通过unwrap 得到原始 ByteBuf
* 原始 buf 的读索引=派生 buf 读索引+偏移量 adjustment
* 由于是非可重复利用内存，所以其读索引应为 0
*/
// unwrap if already sliced
if (unwrapped instanceof AbstractUnpooledSlicedByteBuf) {
unwrappedIndex += ((AbstractUnpooledSlicedByteBuf) unwrapped).idx(0);
unwrapped = unwrapped.unwrap();
} else if (unwrapped instanceof PooledSlicedByteBuf) {
unwrappedIndex += ((PooledSlicedByteBuf) unwrapped).adjustment;
unwrapped = unwrapped.unwrap();
} else if (unwrapped instanceof DuplicatedByteBuf || unwrapped instanceof PooledDuplicatedByteBuf) {
unwrapped = unwrapped.unwrap();
}
// We don't need to slice later to expose the internal component if the readable range
// is already the entire buffer
final ByteBuf slice = buf.capacity() == len ? buf : null;
//包装成Component对象返回,并设置为大端模式
return new Component(buf.order(ByteOrder.BIG_ENDIAN), srcIndex,
unwrapped.order(ByteOrder.BIG_ENDIAN), unwrappedIndex, offset, len, slice);
}
处理数据的读/写源码如下：
//读数据
@Override
public CompositeByteBuf getBytes(int index, byte[] dst, int dstIndex, int length) {
checkDstIndex(index, length, dstIndex, dst.length);
if (length == 0) {
return this;
}
//根据 readerIndex 获取 components 数组的下标
int i = toComponentIndex0(index);
/**
* 由于 ByteBuf 是逻辑组合
* 在读的过程中，一个 buf 可能不够
* 需要从多个 buf 中读取数据，因此需要 while 循环，直到写满
*/
while (length > 0) {
Component c = components[i];
//在每次读数据时，只能读取当前 buf 的可读字节与 length 两者中的最小值
int localLength = Math.min(length, c.endOffset - index);
//从 buf 中读取 localLength 字节到 dst中
c.buf.getBytes(c.idx(index), dst, dstIndex, localLength);
//其读索引值需要增加 localLength
index += localLength;
//目标 buf 的写索引也需进行相应的增加
dstIndex += localLength;
//对需要写的字节数进行相应的调整
length -= localLength;
//components 数组的下标也要向上移一位
i ++;
}
return this;
}
//通过偏移量获取对应的下标
private int toComponentIndex0(int offset) {
int size = componentCount;
//偏移量为0,快速获取第一个元素
if (offset == 0) { // fast-path zero offset
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (components[i].endOffset > 0) {
return i;
}
}
}
//当小于或等于两个元素时,没必要使用二分查找算法,注销快速判断并获取即可
if (size <= 2) { // fast-path for 1 and 2 component count
return size == 1 || offset < components[0].endOffset ? 0 : 1;
}
/**
* 当component数组中的元素个数多于两个时,使用二分查找算法
* 其分割规则主要根据偏移量来判断
* (1)当偏移量大于或等于元素的endOffset时,low = mid+1
* (2)当偏移量小于遍历元素的offset时 ,high = mid-1
* (3)当偏移量等于遍历元素的offset时,只需要返回其下标即可.
*/
for (int low = 0, high = size; low <= high;) {
int mid = low + high >>> 1;
Component c = components[mid];
if (offset >= c.endOffset) {
low = mid + 1;
} else if (offset < c.offset) {
high = mid - 1;
} else {
return mid;
}
}
throw new Error("should not reach here");
}
// 写数据，从src缓冲区读取数据并写入compositeByteBuf中
@Override
public CompositeByteBuf setBytes(int index, byte[] src, int srcIndex, int length) {
checkSrcIndex(index, length, srcIndex, src.length);
if (length == 0) {
return this;
}
//根据writerIndex获取components数组的下标
int i = toComponentIndex0(index);
/**
* 循环写入,逻辑与循环读数据逻辑类似
* 只是index从readerIndex 换成writerIndex
*/
while (length > 0) {
Component c = components[i];
int localLength = Math.min(length, c.endOffset - index);
c.buf.setBytes(c.idx(index), src, srcIndex, localLength);
index += localLength;
srcIndex += localLength;
length -= localLength;
i ++;
}
return this;
}
虽然Component是ByteBuf的包装对象，但它并没有像其他派生对象一样调用retain()方法。ByteBuf的引用计数器并没有任何的改变。
Unpooled 提供wrap包装方法实现零复制
wrap 操作和 slice操作刚好相反, , slice 操作可以将一个 ByteBuf 切片为多个共享一个存储区域的 ByteBuf 对象，而Unpooled.wrappedBuffer 可以将多个 ByteBuf 合并为一个.
Unpooled提供了一系列的 wrap 包装方法，方便快速包装出 CompositeByteBuf 实例或者 ByteBuf 实例，而不用进行内存的拷贝。
Unpooled 包装 CompositeByteBuf 的操作，使用起来更加方便。其代码如下：
//消息头
ByteBuf headerBuf = Unpooled.copiedBuffer("java RPC 框架：",utf8);
//消息体
ByteBuf bodyBuf = Unpooled.copiedBuffer("高性能netty",utf8);
ByteBuf allByte = Unpooled.wrappedBuffer(headerBuf,bodyBuf);
Unpooled类提供了很多重载的 wrappedBuffer 方法，将多个 ByteBuf 包装为 CompositeByteBuf 实例，从而实现零拷贝，这些重载方法大致如下：
public static ByteBuf wrappedBuffer(ByteBuf buffer)
public static ByteBuf wrappedBuffer(ByteBuf... buffers)
public static ByteBuf wrappedBuffer(ByteBuffer buffer)
public static ByteBuf wrappedBuffer(ByteBuffer... buffers)
如果不是使用Unpooled.wrappedBuffer(…) 包装方法，那么传统的做法是将此 byte 数组的内容拷贝到 ByteBuf 中，这种方式有额外的内存申请和拷贝操作的 , 既浪费了内存空间，而且需要耗费内存复制的时间。其代码如下：
byte[] bytes = {1,2,3,5};
ByteBuf byteBuf = Unpooled.buffer();
byteBuf.writeBytes(bytes);
通过Unpooled 将 byte 数组包装成 ByteBuf 。其代码如下：
byte[] bytes = {1,2,3,5};
ByteBuf byteBuf = Unpooled.wrappedBuffer(bytes);
通过Unpooled.wrappedBuffer 方法将 bytes 包装为一个 UnpooledHeapByteBuf 对象， 而在包装的过程中 , 不会有拷贝操作的，所得到的 ByteBuf 对象是和 bytes 数组共用了同一个存储 间，对 bytes 的修改也就是对 ByteBuf 对象的修改 。此操作既复用了空间，节省了时间。
通过 FileRegion 实现零拷贝
Netty 传输文件的时候没有使用 ByteBuf 进行向 Channel 中写入数据，而使用的 FileRegion。
首先，我们来看个示例，使用netty发送文件的核心代码：
public void runClient() {
//创建reactor 线程组
EventLoopGroup workerLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
//1 设置reactor 线程组
b.group(workerLoopGroup);
//2 设置nio类型的channel
b.channel(NioSocketChannel.class);
//3 设置监听端口
b.remoteAddress(serverIp, serverPort);
//4 设置通道的参数
b.option(ChannelOption.ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT);
//5 装配子通道流水线
b.handler(new ChannelInitializer<io.netty.channel.socket.SocketChannel>() {
//有连接到达时会创建一个channel
protected void initChannel(io.netty.channel.socket.SocketChannel ch) throws Exception {
// pipeline管理子通道channel中的Handler
// 向子channel流水线添加一个handler处理器
ch.pipeline().addLast(new FileSendHandler());
}
});
ChannelFuture f = b.connect();
f.addListener((ChannelFuture futureListener) ->
{
if (futureListener.isSuccess()) {
Logger.info("客户端连接成功!");
} else {
Logger.info("客户端连接失败!");
}
});
// 阻塞,直到连接完成
f.sync();
Channel channel = f.channel();
// String srcPath = NioDemoConfig.SOCKET_SEND_BIG_FILE;
String srcPath = NioDemoConfig.SOCKET_SEND_FILE;
channel.writeAndFlush(srcPath);
// 7 等待通道关闭的异步任务结束
// 服务监听通道会一直等待通道关闭的异步任务结束
ChannelFuture closeFuture = channel.closeFuture();
closeFuture.sync();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 优雅关闭EventLoopGroup，
// 释放掉所有资源包括创建的线程
workerLoopGroup.shutdownGracefully();
}
}
public class FileSendHandler extends ChannelOutboundHandlerAdapter {
@Override
public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
....
//发送文件名称长度
ByteBuf outBuf = ctx.alloc().buffer();
outBuf.writeInt(fileNameBytes.length);
outBuf.writeBytes(fileNameBytes);
outBuf.writeInt((int) length);
ctx.writeAndFlush(outBuf);
Logger.info("文件长度：" + length);
ChannelFuture future = null;
//发送文件内容
if (ctx.pipeline().get(SslHandler.class) == null) {
//创建一个fileRegion对象
DefaultFileRegion fileRegion = new DefaultFileRegion(raf.getChannel(), 0, length);
// 传输文件使用了 DefaultFileRegion 进行写入到 NioSocketChannel 中 ==》核心代码
future = ctx.write(fileRegion);
} else {
// SSL enabled - cannot use zero-copy file transfer.
future = ctx.write(new ChunkedFile(raf));
}
future.addListener(f -> {
if (f.isSuccess()) {
Logger.info("发送完成");
ctx.channel().close();
}
});
}
}
DefaultFileRegion 类是接口类FileRegion的默认实现,在DefaultFileRegion方法中定义了几个比较重要的属性：
// 传输的文件
private final File f;
// 文件的其实坐标
private final long position;
// 传输的字节数
private final long count;
// 已经写入的字节数
private long transferred;
// 传输文件对应的 FileChannel
private FileChannel file;
DefaultFileRegion 中有一个方法是transferTo(),其源码如下：
@Override
public long transferTo(WritableByteChannel target, long position) throws IOException {
long count = this.count - position;
if (count < 0 || position < 0) {
throw new IllegalArgumentException(
"position out of range: " + position +
" (expected: 0 - " + (this.count - 1) + ')');
}
if (count == 0) {
return 0L;
}
if (refCnt() == 0) {
throw new IllegalReferenceCountException(0);
}
// Call open to make sure fc is initialized. This is a no-oop if we called it before.
open();
//核心代码==》调用了Nio 的FileChannel.transferTo()方法发送文件
long written = file.transferTo(this.position + position, count, target);
if (written > 0) {
transferred += written;
} else if (written == 0) {
validate(this, position);
}
return written;
}
文件通过 FileChannel.transferTo 方法直接发送到 WritableByteChannel 中。，通过断点可知：
target 是Java Nio的channels的socket， file是Nio的FileChannelImpl。
那FileRegion是在AbstractNioByteChannel.doWriteInternal()方法中写入的，其源码如下:
private int doWriteInternal(ChannelOutboundBuffer in, Object msg) throws Exception {
if (msg instanceof ByteBuf) {
ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
if (!buf.isReadable()) {
//若可读字节数为0,则从缓存区中移除
in.remove();
return 0;
}
//实际发送字节数据
final int localFlushedAmount = doWriteBytes(buf);
if (localFlushedAmount > 0) {
//更新字节数据的发送进程
in.progress(localFlushedAmount);
if (!buf.isReadable()) {
//若可读字节数为o,则从缓存区中移除
in.remove();
}
return 1;
}
} else if (msg instanceof FileRegion) {
//如果是文件FileRegion消息
FileRegion region = (FileRegion) msg;
if (region.transferred() >= region.count()) {
in.remove();
return 0;
}
//实际写操作
long localFlushedAmount = doWriteFileRegion(region);
if (localFlushedAmount > 0) {
//更新数据的发送进度
in.progress(localFlushedAmount);
if (region.transferred() >= region.count()) {
//若region已经全部发送成功,则从缓存中移除
in.remove();
}
return 1;
}
} else {
// Should not reach here.
//不支持发送其他类型的数据
throw new Error();
}
//当实际发送字节数为0时 ,返回Integer.MAX_VALUE
return WRITE_STATUS_SNDBUF_FULL;
}
从 ChannelOutboundBuffer 中获取 FileRegion 类型的节点。然后调用 NioSocketChannel.doWriteFileRegion() 方法进行写入;其源码如下：
@Override
protected long doWriteFileRegion(FileRegion region) throws Exception {
final long position = region.transferred();
return region.transferTo(javaChannel(), position);
}
总结：
通过 Nio 的 FileChannel 可以使用 map 文件映射的方式，直接发送到 SocketChannel中，这样可以减少两次 IO 的复制。
第一次 IO：读取文件的时间从系统内存中拷贝到 jvm 内存中。
第二次 IO：从 jvm 内存中写入 Socket 时，再 Copy 到系统内存中。