理解Netty中的零拷貝（Zero-Copy）機制

##理解零拷貝 零拷貝是Netty的重要特性之一，而究竟什麼是零拷貝呢？ WIKI中對其有以下定義：

"Zero-copy" describes computer operations in which the CPU does not perform the task of copying data from one memory area to another.

從WIKI的定義中，咱們看到「零拷貝」是指計算機操做的過程當中，CPU不須要爲數據在內存之間的拷貝消耗資源。而它一般是指計算機在網絡上發送文件時，不須要將文件內容拷貝到用戶空間（User Space）而直接在內核空間（Kernel Space）中傳輸到網絡的方式。

Non-Zero Copy方式：

Zero Copy方式：

從上圖中能夠清楚的看到，Zero Copy的模式中，避免了數據在用戶空間和內存空間之間的拷貝，從而提升了系統的總體性能。Linux中的sendfile()以及Java NIO中的FileChannel.transferTo()方法都實現了零拷貝的功能，而在Netty中也經過在FileRegion中包裝了NIO的FileChannel.transferTo()方法實現了零拷貝。

而在Netty中還有另外一種形式的零拷貝，即Netty容許咱們將多段數據合併爲一整段虛擬數據供用戶使用，而過程當中不須要對數據進行拷貝操做，這也是咱們今天要講的重點。咱們都知道在stream-based transport（如TCP/IP）的傳輸過程當中，數據包有可能會被從新封裝在不一樣的數據包中，例如當你發送以下數據時：

有可能實際收到的數據以下：

所以在實際應用中，頗有可能一條完整的消息被分割爲多個數據包進行網絡傳輸，而單個的數據包對你而言是沒有意義的，只有當這些數據包組成一條完整的消息時你才能作出正確的處理，而Netty能夠經過零拷貝的方式將這些數據包組合成一條完整的消息供你來使用。而此時，零拷貝的做用範圍僅在用戶空間中。

##Netty3中零拷貝的實現機制 如下以Netty 3.8.0.Final的源代碼來進行說明 ###ChannelBuffer接口 Netty爲須要傳輸的數據制定了統一的ChannelBuffer接口。該接口的主要設計思路以下：

• 使用getByte(int index)方法來實現隨機訪問
• 使用雙指針的方式實現順序訪問
  • 每一個Buffer都有一個讀指針（readIndex）和寫指針（writeIndex）
  • 在讀取數據時讀指針後移，在寫入數據時寫指針後移

定義了統一的接口以後，就是來作各類實現了。Netty主要實現了HeapChannelBuffer,ByteBufferBackedChannelBuffer等等，下面咱們就來說講與Zero Copy直接相關的CompositeChannelBuffer類。 ###CompositeChannelBuffer類 CompositeChannelBuffer類的做用是將多個ChannelBuffer組成一個虛擬的ChannelBuffer來進行操做。爲何說是虛擬的呢，由於CompositeChannelBuffer並無將多個ChannelBuffer真正的組合起來，而只是保存了他們的引用，這樣就避免了數據的拷貝，實現了Zero Copy。 下面咱們來看看具體的代碼實現，首先是成員變量

private int readerIndex;
private int writerIndex;
private ChannelBuffer[] components;
private int[] indices;
private int lastAccessedComponentId;

以上這裏列出了幾個比較重要的成員變量。其中readerIndex既讀指針和writerIndex既寫指針是從AbstractChannelBuffer繼承而來的；而後components是一個ChannelBuffer的數組，他保存了組成這個虛擬Buffer的全部子Buffer，indices是一個int類型的數組，它保存的是各個Buffer的索引值；最後的lastAccessedComponentId是一個int值，它記錄了最後一次訪問時的子Buffer ID。從這個數據結構，咱們不難發現所謂的CompositeChannelBuffer實際上就是將一系列的Buffer經過數組保存起來，而後實現了ChannelBuffer 的接口，使得在上層看來，操做這些Buffer就像是操做一個單獨的Buffer同樣。

####建立 接下來，咱們再看一下CompositeChannelBuffer.setComponents方法，它會在初始化CompositeChannelBuffer時被調用。

/**
 * Setup this ChannelBuffer from the list
 */
private void setComponents(List<ChannelBuffer> newComponents) {
    assert !newComponents.isEmpty();

    // Clear the cache.
    lastAccessedComponentId = 0;

    // Build the component array.
    components = new ChannelBuffer[newComponents.size()];
    for (int i = 0; i < components.length; i ++) {
        ChannelBuffer c = newComponents.get(i);
        if (c.order() != order()) {
            throw new IllegalArgumentException(
                    "All buffers must have the same endianness.");
        }

        assert c.readerIndex() == 0;
        assert c.writerIndex() == c.capacity();

        components[i] = c;
    }

    // Build the component lookup table.
    indices = new int[components.length + 1];
    indices[0] = 0;
    for (int i = 1; i <= components.length; i ++) {
        indices[i] = indices[i - 1] + components[i - 1].capacity();
    }

    // Reset the indexes.
    setIndex(0, capacity());
}

經過代碼能夠看到該方法的功能就是將一個ChannelBuffer的List給組合起來。它首先將List中得元素放入到components數組中，而後建立indices用於數據的查找，最後使用setIndex來重置指針。這裏須要注意的是setIndex(0, capacity())會將讀指針設置爲0，寫指針設置爲當前Buffer的長度，這也就是前面須要作assert c.readerIndex() == 0和assert c.writerIndex() == c.capacity()這兩個判斷的緣由，不然很容易會形成數據重複讀寫的問題，因此Netty推薦咱們使用ChannelBuffers.wrappedBuffer方法來進行Buffer的合併，由於在該方法中Netty會經過slice()方法來確保構建CompositeChannelBuffer是傳入的全部子Buffer都是符合要求的。

####數據訪問 CompositeChannelBuffer.getByte(int index)的實現以下：

public byte getByte(int index) {
    int componentId = componentId(index);
    return components[componentId].getByte(index - indices[componentId]);
}

從代碼咱們能夠看到，在隨機查找時會首先經過index獲取這個字節所在的componentId既字節所在的子Buffer序列，而後經過index - indices[componentId]計算出它在這個子Buffer中的第幾個字節，而後返回結果。

下面再來看一下componentId(int index) 的實現：

private int componentId(int index) {
    int lastComponentId = lastAccessedComponentId;
    if (index >= indices[lastComponentId]) {
        if (index < indices[lastComponentId + 1]) {
            return lastComponentId;
        }

        // Search right
        for (int i = lastComponentId + 1; i < components.length; i ++) {
            if (index < indices[i + 1]) {
                lastAccessedComponentId = i;
                return i;
            }
        }
    } else {
        // Search left
        for (int i = lastComponentId - 1; i >= 0; i --) {
            if (index >= indices[i]) {
                lastAccessedComponentId = i;
                return i;
            }
        }
    }

    throw new IndexOutOfBoundsException("Invalid index: " + index + ", maximum: " + indices.length);
}

從代碼中咱們發現，Netty以lastComponentId既上次訪問的子Buffer序號爲中心，向左右兩邊進行搜索，這樣作的目的是，當咱們兩次隨機查找的字符序列相近時（大部分狀況下都是這樣），能夠最快的搜索到目標索引的componentId。

##參考資料

1. http://my.oschina.net/flashsword/blog/164237
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Zero-copy
3. http://stackoverflow.com/questions/20727615/is-nettys-zero-copy-different-from-os-level-zero-copy
4. http://www-old.itm.uni-luebeck.de/teaching/ws1112/vs/Uebung/GrossUebungNetty/VS-WS1112-xx-Zero-Copy_Event-Driven_Servers_with_Netty.pdf?lang=de