传统IO与零拷贝的几种实现

早期的数据IO，由用户进程向CPU发起，应用程序与磁盘之间的 I/O 操作都是通过 CPU 的中断完成的。

CPU还要负责将磁盘缓冲区拷贝到内核缓冲区(pageCache)，再从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。

为了减少CPU占用，产生了DMA技术，大大解放了CPU

 

DMA 的全称叫直接内存存取（Direct Memory Access），是一种允许外围设备（硬件子系统）直接访问系统主内存的机制。

目前大多数的硬件设备，包括磁盘控制器、网卡、显卡以及声卡等都支持 DMA 技术。

传统IO方式及DMA技术图解可以参考之前一篇 https://www.cnblogs.com/ttaall/p/13738562.html

 

DMA技术存在的问题：

举个例子，从本地文件中发一张图片给你的好盆友。

传统的访问方式是通过 write() 和 read() 两个系统调用实现的，通过 read() 函数读取图片到到缓存区中，然后通过 write() 方法把缓存中的图片输出到网络端口。

read操作：

当应用程序执行 read 系统调用读取一块数据的时候，如果这块数据已经存在于用户进程的页内存中，就直接从内存中读取数据。

如果数据不存在，则先将数据从磁盘加载数据到内核空间的读缓存（read buffer）中，再从读缓存拷贝到用户进程的页内存中。

write操作：

当应用程序准备好数据，执行 write 系统调用发送网络数据时，先将数据从用户空间的页缓存拷贝到内核空间的网络缓冲区（socket buffer）中，

然后再将写缓存中的数据拷贝到网卡设备完成数据发送。

 

 需要进行两次DMA拷贝，两次CPU拷贝，四次上下文切换

总共四次拷贝，四次切换，代价属实有点点大。

• 上下文切换：当用户程序向内核发起系统调用时，CPU 将用户进程从用户态切换到内核态；当系统调用返回时，CPU 将用户进程从内核态切换回用户态。

• CPU 拷贝：由 CPU 直接处理数据的传送，数据拷贝时会一直占用 CPU 的资源。

• DMA 拷贝：由 CPU 向DMA磁盘控制器下达指令，让 DMA 控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给 CPU，从而减轻了 CPU 资源的占有率。

 

 

零拷贝的想法

1.用户态可以直接操作读写，不需要切换用户态内核态

2.尽量减少拷贝次数，尽量减少上下文切换次数

3.写时复制，需要写操作的时候再拷贝，只是读操作没必要拷贝

 

用户态直接IO

用户态直接 I/O 使得应用进程或运行在用户态（user space）下的库函数直接访问硬件设备。

用户态直接 I/O 只能适用于不需要内核缓冲区处理的应用程序，这些应用程序通常在进程地址空间有自己的数据缓存机制，称为自缓存应用程序，如数据库管理系统 就是一个代表。

其次，这种零拷贝机制会直接操作磁盘 I/O，由于 CPU 和磁盘 I/O 之间的执行时间差距，会造成大量资源的浪费，解决方案是配合异步 I/O 使用。

 

写时复制

写时复制指的是当多个进程共享同一块数据时，如果其中一个进程需要对这份数据进行修改，那么就需要将其拷贝到自己的进程地址空间中。

这样做并不影响其他进程对这块数据的操作，每个进程要修改的时候才会进行拷贝，所以叫写时拷贝。

 

mmap+write零拷贝技术

以mmap+write的方式替代传统的read+write的方式，减少了一次拷贝

mmap 是 Linux 提供的一种内存映射文件方法，即将一个进程的地址空间中的一段虚拟地址映射到磁盘文件地址

使用 mmap 的目的是将内核中读缓冲区（read buffer）的地址与用户空间的缓冲区（user buffer）进行映射。

从而实现内核缓冲区与应用程序内存的共享，省去了将数据从内核读缓冲区（read buffer）拷贝到用户缓冲区（user buffer）的过程。

 

 整个拷贝过程会发生 4 次上下文切换，1 次 CPU 拷贝和 2 次 DMA 拷贝。

mmap 主要的用处是提高 I/O 性能，特别是针对大文件。对于小文件，内存映射文件反而会导致碎片空间的浪费。

 

Sendfile零拷贝技术

通过 Sendfile 系统调用，数据可以直接在内核空间内部进行 I/O 传输，从而省去了数据在用户空间和内核空间之间的来回拷贝。

将要读取的文件缓冲区的文件 fd 和要发送的Socket缓冲区的Socket fd  传给sendfile函数，

 Sendfile 调用中 I/O 数据对用户空间是完全不可见的。也就是说，这是一次完全意义上的数据传输过程。

也就是说用户程序不能对数据进行修改，而只是单纯地完成了一次数据传输过程。

整个拷贝过程会发生 2 次上下文切换，1 次 CPU 拷贝和 2 次 DMA 拷贝。

 

 

Sendfile+DMA gather copy

它只适用于将数据从文件拷贝到 socket 套接字上的传输过程。

它将内核空间的读缓冲区（read buffer）中对应的数据描述信息（内存地址、地址偏移量）记录到相应的网络缓冲区（ socket buffer）中，

由 DMA 根据内存地址、地址偏移量将数据批量地从读缓冲区（read buffer）拷贝到网卡设备中。

这样 DMA 引擎直接利用 gather 操作将页缓存中数据打包发送到网络中即可，本质就是和虚拟内存映射的思路类似。

 

 整个拷贝过程会发生 2 次上下文切换、0 次 CPU 拷贝以及 2 次 DMA 拷贝。

 

Splice零拷贝技术

Splice相当于在Sendfile+DMA gather copy上的提升

Splice 系统调用可以在内核空间的读缓冲区（read buffer）和网络缓冲区（socket buffer）之间建立管道（pipeline），从而避免了两者之间的 CPU 拷贝操作。

 

 基于 Splice 系统调用的零拷贝方式，整个拷贝过程会发生 2 次上下文切换，0 次 CPU 拷贝以及 2 次 DMA 拷贝。

• 用户进程通过 splice() 函数向内核（kernel）发起系统调用，上下文从用户态（user space）切换为内核态（kernel space）。

• CPU 利用 DMA 控制器将数据从主存或硬盘拷贝到内核空间（kernel space）的读缓冲区（read buffer）。

• CPU 在内核空间的读缓冲区（read buffer）和网络缓冲区（socket buffer）之间建立管道（pipeline）。

• CPU 利用 DMA 控制器将数据从网络缓冲区（socket buffer）拷贝到网卡进行数据传输。

• 上下文从内核态（kernel space）切换回用户态（user space），Splice 系统调用执行返回。

 

对比

无论是传统 I/O 拷贝方式还是引入零拷贝的方式，2 次 DMA Copy 是都少不了的，因为两次 DMA 都是依赖硬件完成的。

 

 

kafka实现零拷贝： sendfile函数

2.4 内核改进的的sendfile函数 + 硬件提供的DMA Gather Copy实现零拷贝，将文件通过socket传送

Kafka底层基于java.nio包下的FileChannel的transferTo： transferTo 可将一个文件直接传输到另一个文件

transferTo将FileChannel关联的文件发送到指定channel，当Comsumer消费数据，Kafka Server基于FileChannel将文件中的消息数据发送到SocketChannel

 

 

RocketMq零拷贝实现： mmap+write()

RocketMQ基于mmap + write的方式实现零拷贝

内部实现基于nio提供的java.nio.MappedByteBuffer，基于FileChannel的map方法得到mmap的缓冲区：

 

 

Netty零拷贝实现：

• 1 基于操作系统实现的零拷贝，底层基于FileChannel的transferTo方法
• 2 基于Java 层操作优化，对数组缓存对象(ByteBuf )进行封装优化，通过对ByteBuf数据建立数据视图，支持ByteBuf 对象合并，切分，当底层仅保留一份数据存储，减少不必要拷贝

加上selectorIO多路复用