计算机基础-零拷贝

Kafka、Netty、NGINX这些流行的大量涉及IO操作的开源组件都有应用零拷贝的技术，来提升性能。一定好奇零拷贝是什么意思？

read API的流程

假设这样一个场景，服务端从本地磁盘读文件，读到内容写给另一台客户端。这涉及到两次读写IO操作，从磁盘读read()，写网卡write()。

read()、write() 这些是高级抽象的API，底层有很多事要做。操作系统要和硬件打交道就要陷入内核，信息要从内核缓冲区和用户缓冲区拷贝等。

来看read()的流程图：

这里的cpu利用率很低，需要参与拷贝字节，而无法响应其它事情。

引出DMA设备控制器，它可以代替CPU拷贝字节，提升效率。

传统读写传输

共发生了 4 次用户态与内核态的上下文切换。

其次，还发生了 4 次数据拷贝，其中两次是 DMA 的拷贝，另外两次则是通过 CPU 拷贝的，下面说一下这个过程：

  1. 把磁盘上的数据拷贝到操作系统内核的缓冲区里，这个拷贝的过程是通过 DMA 搬运的。
  2. 把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，于是我们应用程序就可以使用这部分数据了，这个拷贝到过程是由 CPU 完成的。
  3. 把刚才拷贝到用户的缓冲区里的数据，再拷贝到内核的 socket 的缓冲区里，这个过程依然还是由 CPU 搬运的。
  4. 把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程又是由 DMA 搬运的。

需要减少「用户态与内核态的上下文切换」和「内存拷贝」的次数。

零拷贝

零拷贝技术实现的方式通常有 2 种：

  • mmap + write
  • sendfile

mmap

mmap() 会将一段内存在内核空间和用户空间做一个映射，这样就免去内核到用户空间的拷贝了。系统调用的次数没有变化，还是2次。

sendfile

在 Linux 内核版本 2.1 中，提供了一个专门发送文件的系统调用函数 sendfile()，提供入和出两个fd，可以替代read()和write()2次调用变1次。拷贝次数和mmap() 没变化。

ssize_t sendfile(int out_fd,int in_fd,off_t*offset,size_t count);

再优化，拷贝次数能不能再少一次？从 Linux 内核 2.4 版本开始起，对于支持网卡支持 SG-DMA 技术的情况下， sendfile() 系统调用的过程发生了变化。

具体看第二步，缓冲区描述符和数据长度传到 socket 缓冲区，这样网卡的 SG-DMA 控制器就可以直接将内核缓存中的数据拷贝到网卡的缓冲区里，此过程不需要将数据从操作系统内核缓冲区拷贝到 socket 缓冲区中，这样就减少了一次数据拷贝。

以上就是零拷贝的原理了，这也是软硬件技术提升的产物，硬件需要DMA设备控制器，软件由操作系统给出sendfile系统调用。

参考