面试刷题12:zero copy是怎么回事？
- 2020 年 3 月 26 日
- 筆記
文件copy是java的io部分不可忽视的内容。
我是李福春，我在准备面试，今天的问题是：
zero-copy是怎么回事？
操作系统的空间划分为内核态空间， 用户态空间；
内核态空间相对操作系统具备更高的权限和优先级；
用户态空间即普通用户所处空间。
zero-copy指的使用类似java.nio的transforTo方法进行文件copy,文件的copy直接从磁盘到内核态空间，不经过用户态空间，再写到磁盘，减少了io的消耗，避免了不必要的copy 和上下文切换，所以比较高效。
接下来对面试官可能扩展的问题进行一些拓展：
java的文件copy方式
java.io流式copy
package org.example.mianshi.filecopy; import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; import java.nio.file.Files; /** * 说明：传统的文件copy * @author carter * 创建时间： 2020年03月26日 9:32 上午 **/ public class JioFileCopyApp { public static void main(String[] args) { final File d = new File("/data/appenvs/denv.properties"); final File s = new File("/data/appenvs/env.properties"); System.out.println("source file content :" + s.exists()); System.out.println("target file content :" + d.exists()); System.out.println("source content:"); try { Files.lines(s.toPath()).forEach(System.out::println); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("do file copy !"); copy(s, d); System.out.println("target file content :" + d.exists()); System.out.println("target content:"); try { Files.lines(d.toPath()).forEach(System.out::println); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } private static void copy(File s, File d) { try ( final FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(s); final FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(d) ) { byte[] buffer = new byte[1024]; int length; while ((length = fileInputStream.read(buffer)) > 0) { fileOutputStream.write(buffer, 0, length); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } 代码可以运行；copy流程如下图：它不是zero-copy的，需要切换用户态空间和内核态空间，路径比较长，io消耗和上线文切换的消耗比较明显，这是比较低效的copy.
java.nioChannel式copy
package org.example.mianshi.filecopy; import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; import java.nio.channels.FileChannel; import java.nio.file.Files; /** * 说明：传统的文件copy * @author carter * 创建时间： 2020年03月26日 9:32 上午 **/ public class JnioFileCopyApp { public static void main(String[] args) { final File d = new File("/data/appenvs/ndenv.properties"); final File s = new File("/data/appenvs/env.properties"); System.out.println(s.getAbsolutePath() + "source file content :" + s.exists()); System.out.println(d.getAbsolutePath() +"target file content :" + d.exists()); System.out.println("source content:"); try { Files.lines(s.toPath()).forEach(System.out::println); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("do file copy !"); copy(s, d); System.out.println(d.getAbsolutePath() +"target file content :" + d.exists()); System.out.println("target content:"); try { Files.lines(d.toPath()).forEach(System.out::println); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } private static void copy(File s, File d) { try ( final FileChannel sourceFileChannel = new FileInputStream(s).getChannel(); final FileChannel targetFileChannel = new FileOutputStream(d).getChannel() ) { for (long count= sourceFileChannel.size();count>0;){ final long transferTo = sourceFileChannel.transferTo(sourceFileChannel.position(), count, targetFileChannel); count-=transferTo; } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
copy过程如下图：明显，不用经过用户态空间，是zero-copy,减少了io的消耗以及上下文切换，比较高效。
Files工具类copy
package org.example.mianshi.filecopy; import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; import java.nio.file.CopyOption; import java.nio.file.Files; import java.nio.file.StandardCopyOption; /** * 说明：Files的文件copy * @author carter * 创建时间： 2020年03月26日 9:32 上午 **/ public class FilesFileCopyApp { public static void main(String[] args) { final File d = new File("/data/appenvs/fenv.properties"); final File s = new File("/data/appenvs/env.properties"); System.out.println("source file content :" + s.exists()); System.out.println("target file content :" + d.exists()); System.out.println("source content:"); try { Files.lines(s.toPath()).forEach(System.out::println); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("do file copy !"); copy(s, d); System.out.println("target file content :" + d.exists()); System.out.println("target content:"); try { Files.lines(d.toPath()).forEach(System.out::println); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } private static void copy(File s, File d) { try { Files.copy(s.toPath(),d.toPath(), StandardCopyOption.COPY_ATTRIBUTES); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } 面试官一般喜欢刨根问底，那么来吧！贴一下源码：
public static Path copy(Path source, Path target, CopyOption... options) throws IOException { FileSystemProvider provider = provider(source); if (provider(target) == provider) { // same provider provider.copy(source, target, options); } else { // different providers CopyMoveHelper.copyToForeignTarget(source, target, options); } return target; } 底层通过SPI,即ServiceLoader的方式加载不同文件系统的本地处理代码。
分类如下：
我们使用最多的UnixFsProvider,实际上是 直接从 用户态空间copy到用户态空间，使用了本地方法内联加持优化，但是它不是zero-copy， 性能也不会太差。
如何提高io的效率
1， 使用缓存，减少io的操作次数；
2，使用zero-copy，即类似 java.nio的 transferTo方法进行copy;
3, 减少传输过程中不必要的转换，比如编解码，最好直接二进制传输；
buffer
buffer的类层级图如下：
除了bool其他7个原生类型都有对应的Buffer;
面试官如果问细节，先说4个属性， capacity, limit ,position, mark
再描述byteBuffer的读写流程。
然后是DirectBuffer,这个是直接操作堆外内存，比较高效。但是用好比较困难，除非是流媒体的行业，不会问的这么细，直接翻源码好好准备，问一般也是技术专家来问你了。
小结
本篇回答了什么是zero-copy,然后介绍了java体系实现文件copy的3中方式，（扩展的第三方库不算在内）；
然后简要介绍了如何提高io效率的三种方法，以及提高内存利用率的Buffer做了系统级的介绍。
不啰嗦，可以快速通过下图条理化本篇内容，希望对你有所帮助。
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