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这一类的问题都逃不过的一个点:零拷贝,虽然还有一些其他的原因,但是今天我们的话题主要就是零拷贝。

传统IO

在开始谈零拷贝之前,首先要对传统的IO方式有一个概念。

基于传统的IO方式,底层实际上通过调用read()write()来实现。

通过read()把数据从硬盘读取到内核缓冲区,再复制到用户缓冲区;然后再通过write()写入到socket缓冲区,最后写入网卡设备。

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整个过程发生了4次用户态和内核态的上下文切换4次拷贝,具体流程如下:

  1. 用户进程通过read()方法向操作系统发起调用,此时上下文从用户态转向内核态
  2. DMA控制器把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区
  3. CPU把读缓冲区数据拷贝到应用缓冲区,上下文从内核态转为用户态,read()返回
  4. 用户进程通过write()方法发起调用,上下文从用户态转为内核态
  5. CPU将应用缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
  6. DMA控制器把数据从socket缓冲区拷贝到网卡,上下文从内核态切换回用户态,write()返回

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那么,这里指的用户态内核态指的是什么?上下文切换又是什么?

简单来说,用户空间指的就是用户进程的运行空间,内核空间就是内核的运行空间。

如果进程运行在内核空间就是内核态,运行在用户空间就是用户态。

为了安全起见,他们之间是互相隔离的,而在用户态和内核态之间的上下文切换也是比较耗时的。

从上面我们可以看到,一次简单的IO过程产生了4次上下文切换,这个无疑在高并发场景下会对性能产生较大的影响。

那么什么又是DMA拷贝呢?

因为对于一个IO操作而言,都是通过CPU发出对应的指令来完成,但是相比CPU来说,IO的速度太慢了,CPU有大量的时间处于等待IO的状态。

因此就产生了DMA(Direct Memory Access)直接内存访问技术,本质上来说他就是一块主板上独立的芯片,通过它来进行内存和IO设备的数据传输,从而减少CPU的等待时间。

但是无论谁来拷贝,频繁的拷贝耗时也是对性能的影响。

零拷贝

零拷贝技术是指计算机执行操作时,CPU不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域,这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。

那么对于零拷贝而言,并非真的是完全没有数据拷贝的过程,只不过是减少用户态和内核态的切换次数以及CPU拷贝的次数。

这里,仅仅有针对性的来谈谈几种常见的零拷贝技术。

mmap+write

mmap+write简单来说就是使用mmap替换了read+write中的read操作,减少了一次CPU的拷贝。

mmap主要实现方式是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射,内核缓冲区和应用缓冲区共享,从而减少了从读缓冲区到用户缓冲区的一次CPU拷贝。

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整个过程发生了4次用户态和内核态的上下文切换3次拷贝,具体流程如下:

  1. 用户进程通过mmap()方法向操作系统发起调用,上下文从用户态转向内核态
  2. DMA控制器把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区
  3. 上下文从内核态转为用户态,mmap调用返回
  4. 用户进程通过write()方法发起调用,上下文从用户态转为内核态
  5. CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
  6. DMA控制器把数据从socket缓冲区拷贝到网卡,上下文从内核态切换回用户态,write()返回

mmap的方式节省了一次CPU拷贝,同时由于用户进程中的内存是虚拟的,只是映射到内核的读缓冲区,所以可以节省一半的内存空间,比较适合大文件的传输。

sendfile

相比mmap来说,sendfile同样减少了一次CPU拷贝,而且还减少了2次上下文切换。

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sendfile是Linux2.1内核版本后引入的一个系统调用函数,通过使用sendfile数据可以直接在内核空间进行传输,因此避免了用户空间和内核空间的拷贝,同时由于使用sendfile替代了read+write从而节省了一次系统调用,也就是2次上下文切换。

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整个过程发生了2次用户态和内核态的上下文切换3次拷贝,具体流程如下:

  1. 用户进程通过sendfile()方法向操作系统发起调用,上下文从用户态转向内核态
  2. DMA控制器把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区
  3. CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
  4. DMA控制器把数据从socket缓冲区拷贝到网卡,上下文从内核态切换回用户态,sendfile调用返回

sendfile方法IO数据对用户空间完全不可见,所以只能适用于完全不需要用户空间处理的情况,比如静态文件服务器。

sendfile+DMA Scatter/Gather

Linux2.4内核版本之后对sendfile做了进一步优化,通过引入新的硬件支持,这个方式叫做DMA Scatter/Gather 分散/收集功能。

它将读缓冲区中的数据描述信息–内存地址和偏移量记录到socket缓冲区,由 DMA 根据这些将数据从读缓冲区拷贝到网卡,相比之前版本减少了一次CPU拷贝的过程

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整个过程发生了2次用户态和内核态的上下文切换2次拷贝,其中更重要的是完全没有CPU拷贝,具体流程如下:

  1. 用户进程通过sendfile()方法向操作系统发起调用,上下文从用户态转向内核态
  2. DMA控制器利用scatter把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区离散存储
  3. CPU把读缓冲区中的文件描述符和数据长度发送到socket缓冲区
  4. DMA控制器根据文件描述符和数据长度,使用scatter/gather把数据从内核缓冲区拷贝到网卡
  5. sendfile()调用返回,上下文从内核态切换回用户态

DMA gathersendfile一样数据对用户空间不可见,而且需要硬件支持,同时输入文件描述符只能是文件,但是过程中完全没有CPU拷贝过程,极大提升了性能。

应用场景

对于文章开头说的两个场景:RocketMQ和Kafka都使用到了零拷贝的技术。

对于MQ而言,无非就是生产者发送数据到MQ然后持久化到磁盘,之后消费者从MQ读取数据。

对于RocketMQ来说这两个步骤使用的是mmap+write,而Kafka则是使用mmap+write持久化数据,发送数据使用sendfile

总结

由于CPU和IO速度的差异问题,产生了DMA技术,通过DMA搬运来减少CPU的等待时间。

传统的IOread+write方式会产生2次DMA拷贝+2次CPU拷贝,同时有4次上下文切换。

而通过mmap+write方式则产生2次DMA拷贝+1次CPU拷贝,4次上下文切换,通过内存映射减少了一次CPU拷贝,可以减少内存使用,适合大文件的传输。

sendfile方式是新增的一个系统调用函数,产生2次DMA拷贝+1次CPU拷贝,但是只有2次上下文切换。因为只有一次调用,减少了上下文的切换,但是用户空间对IO数据不可见,适用于静态文件服务器。

sendfile+DMA gather方式产生2次DMA拷贝,没有CPU拷贝,而且也只有2次上下文切换。虽然极大地提升了性能,但是需要依赖新的硬件设备支持。

参考:

https://juejin.cn/post/6844903949359644680#heading-19

https://www.cnblogs.com/xiaolincoding/p/13719610.html

https://time.geekbang.org/column/article/118657

https://www.toutiao.com/i6898240850917114380/