零拷贝原理详解

零拷贝原理详解

1. 引言

​ 在nginx、kafka等开源组件的原理和性能调优中，经常会提到零拷贝技术，为了能从原理层面掌握这些常用组件，下面我详细介绍零拷贝的原理。

​ 在介绍零拷贝之前，还有几个概念需要介绍，那就是：用户空间（User space）、内核空间（Kernel space）。

​ 用户空间是指：用户程序代码运行的地方； 内核空间是指：内核代码运行的地方，为了安全，它们是隔离的，即使用户的程序崩溃了，内核也不受影响。当进程运行在内核空间时就处于内核态，当进程运行在用户空间时就处于用户态。

​ 内核空间 可以执行任意命令，调用系统的一切资源；用户 只能执行简单的运算，不能直接调用系统资源，必须通过系统接口（又称 system call），才能向内核发出指令。

通过系统接口，进程可以从用户空间切换到内核空间，如下图所示，用户代码调用 cat /etc/hosts，从用户空间切换到内核空间：

​ 操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间。空间分配如下图所示：

有了用户空间和内核空间，整个linux内部结构可以分为三部分，从最底层到最上层依次是：硬件-->内核空间-->用户空间。如下图所示：

　需要注意的细节问题：

（1） 内核空间中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间，它们都处于虚拟空间中。

（2） Linux使用两级保护机制：0级供内核使用，3级供用户程序使用。

　　内核态与用户态：

（1）当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，称进程处于内核运行态（内核态）。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。

（2）当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。

2.零拷贝基础

零拷贝指的是，从一个存储区域到另一个存储区域的 copy 任务没有CPU 参与。零拷贝通常用于网络文件传输，以减少 CPU 消耗和内存带宽占用，减少用户空间与 CPU 内核空间的拷贝过程，减少用户上下文与 CPU 内核上下文间的切换，提高系统效率。

用户上下文指的是用户状态环境，CPU 内核上下文指的是 CPU 内核状态环境。

零拷贝需要 DMA 控制器的协助。DMA，Direct Memory Access，直接内存存取，是 CPU的组成部分，其可以在 CPU 内核（算术逻辑运算器ALU 等）不参与运算的情况下将数据从一个地址空间拷贝到另一个地址空间。

3.传统拷贝方式

下面均以“将一个硬盘中的文件通过网络发送出去”的过程为例，来详细详细分析不同拷贝方式的实现细节。

首先通过应用程序的 read()方法将文件从硬盘读取出来，然后再调用 send()方法将文件发送出去。

该拷贝方式共进行了 4 次用户空间与内核空间的上下文切换，以及 4 次数据拷贝，其中两次拷贝存在 CPU 参与。

我们发现一个很明显的问题：应用程序的作用仅仅就是一个数据传输的中介，最后将kernel buffer 中的数据传递到了 socket buffer。显然这是没有必要的。所以就引入了零拷贝。

4.零拷贝方式

Linux 系统（CentOS6 及其以上版本）对于零拷贝是通过 sendfile 系统调用实现的。

该拷贝方式共进行了 2 次用户空间与内核空间的上下文切换，以及 3 次数据拷贝，但整个拷贝过程均没有 CPU 的参与，这就是零拷贝。

我们发现这里还存在一个问题：kernel buffer 到 socket buffer 的拷贝需要吗？kernel buffer 与 socket buffer 有什么区别呢？DMA 控制器所控制的拷贝过程有一个要求，数据在源头的存放地址空间必须是连续的。kernel buffer 中的数据无法保证其连续性，所以需要将数据再拷贝到 socket buffer，socket buffer 可以保证了数据的连续性。

这个拷贝过程能否避免呢？可以，只要主机的 DMA 支持Gather Copy 功能，就可以避免由 kernel buffer 到 socket buffer 的拷贝。

5.Gather Copy DMA 零拷贝方式

由于该拷贝方式是由 DMA 完成，与系统无关，所以只要保证系统支持 sendfile 系统调用功能即可。

该拷贝方式共进行了 2 次用户空间与内核空间的上下文切换，以及 2 次数据拷贝，并且整个拷贝过程均没有 CPU 的参与。

该拷贝方式的系统效率是高了，但与传统相比，也存在有不足。传统拷贝中user buffer 中存有数据，因此应用程序能够对数据进行修改等操作；零拷贝中的 user buffer 中没有了数据，所以应用程序无法对数据进行操作了。Linux 的mmap 零拷贝解决了这个问题。

6.mmap 零拷贝

mmap 零拷贝是对零拷贝的改进。当然，若当前主机的 DMA 支持 Gather Copy，mmap同样可以实现Gather Copy DMA 的零拷贝。

该方式与零拷贝的唯一区别是，应用程序与内核共享了 Kernel buffer。由于是共享，所以应用程序也就可以操作该 buffer 了。当然，应用程序对于 Kernel buffer 的操作，就会引发用户空间与内核空间的相互切换。

该拷贝方式共进行了 4 次用户空间与内核空间的上下文切换，以及 2 次数据拷贝，并且整个拷贝过程均没有 CPU 的参与。虽然较之前面的零拷贝增加了两次上下文切换，但应用程序可以对数据进行修改了。