Java零拷贝应该怎么用

零拷贝（Zero-Copy）在 Java 里主要是通过 NIO（New I/O） 提供的 API 来实现的，它能减少内核态和用户态之间的数据拷贝次数，从而提升性能。常见场景是网络传输、大文件读写、消息队列（Kafka、RocketMQ）、高性能服务器（Netty）等。

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一、传统 IO 的问题

• 传统 IO（InputStream / OutputStream）读文件时，会先从磁盘拷贝到内核缓冲区，再从内核缓冲区拷贝到用户空间的 Java 堆，然后应用再写入 Socket 时，又要从用户空间拷贝到内核 Socket 缓冲区，最后再从内核 Socket 缓冲区拷贝到网卡。
• 总共有 4 次拷贝 + 2 次上下文切换。

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二、Java 零拷贝的实现方式

1. FileChannel.transferTo / transferFrom

这是最典型的零拷贝方式。
示例：把一个文件直接写到 SocketChannel，中间不经过 Java 堆。

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.net.InetSocketAddress;

public class ZeroCopyDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 客户端连接服务器
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

        // 打开文件
        FileChannel fileChannel = new FileInputStream("bigfile.data").getChannel();

        // 零拷贝传输
        long position = 0;
        long size = fileChannel.size();
        while (position < size) {
            long transferred = fileChannel.transferTo(position, size - position, socketChannel);
            position += transferred;
        }

        fileChannel.close();
        socketChannel.close();
    }
}

📌 transferTo / transferFrom 底层会调用 Linux 的 sendfile()，这就是零拷贝的核心。
在 Linux 内核 2.4 之后，只需 2 次拷贝：

• 磁盘 → 内核缓冲区（DMA 拷贝）
• 内核缓冲区 → 网卡（DMA 拷贝）

应用层 不需要参与数据搬运。

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2. MappedByteBuffer（内存映射）

通过 FileChannel.map() 把文件直接映射到内存，访问时直接读写虚拟内存。
示例：

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class MmapDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("test.txt", "rw");
        FileChannel channel = raf.getChannel();

        // 映射文件到内存 (读写模式)
        MappedByteBuffer buffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, channel.size());

        // 直接修改内存，相当于修改文件
        buffer.put(0, (byte) 'H');
        buffer.put(1, (byte) 'i');

        channel.close();
        raf.close();
    }
}

📌 使用 mmap，可以避免系统调用和拷贝，但要注意：

• 适合随机读写，而非一次性顺序传输。
• 文件过大时，容易触发 OutOfMemoryError（因为内存映射会占用虚拟内存空间）。

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3. DirectByteBuffer（堆外内存）

Java NIO 提供 ByteBuffer.allocateDirect()，分配的内存不在 JVM 堆里，而是操作系统直接分配的堆外内存。
好处：避免了 JVM 堆 ↔ 内核缓冲区 的一次拷贝。
缺点：需要手动回收（GC 不会立刻回收）。

import java.nio.ByteBuffer;

public class DirectBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024); // 堆外内存
        buffer.put((byte) 1);
        buffer.flip();
        System.out.println(buffer.get());
    }
}

Netty 就是基于 DirectByteBuffer 做高性能网络传输的。

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三、应用场景

1. 高性能文件传输 → 使用 FileChannel.transferTo()（Kafka 依赖它）。
2. 内存映射大文件 → 使用 MappedByteBuffer（常见于索引文件、日志存储）。
3. 高性能网络通信框架 → 使用 DirectByteBuffer（Netty、gRPC）。

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四、总结

• 文件到网络 → 用 transferTo/transferFrom（零拷贝 sendfile）。
• 随机读写文件 → 用 MappedByteBuffer（mmap）。
• 高性能网络通信 → 用 DirectByteBuffer（堆外内存）。

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