我深知不懂底層技術(shù)點(diǎn)就如同空中樓閣，再這樣下去面阿里 P10 是沒(méi)希望了。想到這里，我開始慌了，所以今天和大家一起學(xué)習(xí)個(gè)底層技術(shù)點(diǎn)：零拷貝 Zero-Copy。

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圖片來(lái)自 Pexels 

Linux 系統(tǒng)中一切皆文件，仔細(xì)想一下 Linux 系統(tǒng)的很多活動(dòng)無(wú)外乎讀操作和寫操作，零拷貝就是為了提高讀寫性能而出現(xiàn)的。

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廢話不多說(shuō)，馬上開大車，走起!

數(shù)據(jù)拷貝基礎(chǔ)過(guò)程

在 Linux 系統(tǒng)內(nèi)部緩存和內(nèi)存容量都是有限的，更多的數(shù)據(jù)都是存儲(chǔ)在磁盤中。

對(duì)于 Web 服務(wù)器來(lái)說(shuō)，經(jīng)常需要從磁盤中讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存，然后再通過(guò)網(wǎng)卡傳輸給用戶：

上述數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)只是大框，接下來(lái)看看幾種模式：

①僅 CPU 方式

如上圖：

• 當(dāng)應(yīng)用程序需要讀取磁盤數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用 read() 從用戶態(tài)陷入內(nèi)核態(tài)，read() 這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用最終由 CPU 來(lái)完成。
• CPU 向磁盤發(fā)起 I/O 請(qǐng)求，磁盤收到之后開始準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。
• 磁盤將數(shù)據(jù)放到磁盤緩沖區(qū)之后，向 CPU 發(fā)起 I/O 中斷，報(bào)告 CPU 數(shù)據(jù)已經(jīng) Ready 了。
• CPU 收到磁盤控制器的 I/O 中斷之后，開始拷貝數(shù)據(jù)，完成之后 read() 返回，再?gòu)膬?nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)。

②CPU&DMA 方式

CPU 的時(shí)間寶貴，讓它做雜活就是浪費(fèi)資源。

直接內(nèi)存訪問(wèn)(Direct Memory Access)，是一種硬件設(shè)備繞開 CPU 獨(dú)立直接訪問(wèn)內(nèi)存的機(jī)制。

所以 DMA 在一定程度上解放了 CPU，把之前 CPU 的雜活讓硬件直接自己做了，提高了 CPU 效率。

目前支持 DMA 的硬件包括：網(wǎng)卡、聲卡、顯卡、磁盤控制器等。

有了 DMA 的參與之后的流程發(fā)生了一些變化：

最主要的變化是，CPU 不再和磁盤直接交互，而是 DMA 和磁盤交互并且將數(shù)據(jù)從磁盤緩沖區(qū)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，之后的過(guò)程類似。

敲黑板：無(wú)論從僅 CPU 方式和 DMA&CPU 方式，都存在多次冗余數(shù)據(jù)拷貝和內(nèi)核態(tài)&用戶態(tài)的切換。

我們繼續(xù)思考 Web 服務(wù)器讀取本地磁盤文件數(shù)據(jù)再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶的詳細(xì)過(guò)程。

普通模式數(shù)據(jù)交互

一次完成的數(shù)據(jù)交互包括幾個(gè)部分：系統(tǒng)調(diào)用 syscall、CPU、DMA、網(wǎng)卡、磁盤等。

系統(tǒng)調(diào)用 syscall 是應(yīng)用程序和內(nèi)核交互的橋梁，每次進(jìn)行調(diào)用/返回就會(huì)產(chǎn)生兩次切換：

• 調(diào)用 syscall，從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。
• syscall 返回，從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)。

來(lái)看下完整的數(shù)據(jù)拷貝過(guò)程簡(jiǎn)圖：

讀數(shù)據(jù)過(guò)程：

• 應(yīng)用程序要讀取磁盤數(shù)據(jù)，調(diào)用 read() 函數(shù)從而實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)切換內(nèi)核態(tài)，這是第 1 次狀態(tài)切換。
• DMA 控制器將數(shù)據(jù)從磁盤拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，這是第 1 次 DMA 拷貝。
• CPU 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到用戶緩沖區(qū)，這是第 1 次 CPU 拷貝。
• CPU 完成拷貝之后，read() 函數(shù)返回實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)切換用戶態(tài)，這是第 2 次狀態(tài)切換。

寫數(shù)據(jù)過(guò)程：

• 應(yīng)用程序要向網(wǎng)卡寫數(shù)據(jù)，調(diào)用 write() 函數(shù)實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)切換內(nèi)核態(tài)，這是第 1 次切換。
• CPU 將用戶緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，這是第 1 次 CPU 拷貝。
• DMA 控制器將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到 socket 緩沖區(qū)，這是第 1 次 DMA 拷貝。
• 完成拷貝之后，write() 函數(shù)返回實(shí)現(xiàn)內(nèi)核態(tài)切換用戶態(tài)，這是第 2 次切換。

綜上所述：

• 讀過(guò)程涉及 2 次空間切換、1 次 DMA 拷貝、1 次 CPU 拷貝。
• 寫過(guò)程涉及 2 次空間切換、1 次 DMA 拷貝、1 次 CPU 拷貝。

可見傳統(tǒng)模式下，涉及多次空間切換和數(shù)據(jù)冗余拷貝，效率并不高，接下來(lái)就該零拷貝技術(shù)出場(chǎng)了。

零拷貝技術(shù)

出現(xiàn)原因

我們可以看到，如果應(yīng)用程序不對(duì)數(shù)據(jù)做修改，從內(nèi)核緩沖區(qū)到用戶緩沖區(qū)，再?gòu)挠脩艟彌_區(qū)到內(nèi)核緩沖區(qū)。

兩次數(shù)據(jù)拷貝都需要 CPU 的參與，并且涉及用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的多次切換，加重了 CPU 負(fù)擔(dān)。

我們需要降低冗余數(shù)據(jù)拷貝、解放 CPU，這也就是零拷貝 Zero-Copy 技術(shù)。

解決思路

目前來(lái)看，零拷貝技術(shù)的幾個(gè)實(shí)現(xiàn)手段包括：mmap+write、sendfile、sendfile+DMA 收集、splice 等。

①mmap 方式

mmap 是 Linux 提供的一種內(nèi)存映射文件的機(jī)制，它實(shí)現(xiàn)了將內(nèi)核中讀緩沖區(qū)地址與用戶空間緩沖區(qū)地址進(jìn)行映射，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)核緩沖區(qū)與用戶緩沖區(qū)的共享。

這樣就減少了一次用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的 CPU 拷貝，但是在內(nèi)核空間內(nèi)仍然有一次 CPU 拷貝。

mmap 對(duì)大文件傳輸有一定優(yōu)勢(shì)，但是小文件可能出現(xiàn)碎片，并且在多個(gè)進(jìn)程同時(shí)操作文件時(shí)可能產(chǎn)生引發(fā) coredump 的 signal。

②sendfile 方式

mmap+write 方式有一定改進(jìn)，但是由系統(tǒng)調(diào)用引起的狀態(tài)切換并沒(méi)有減少。

sendfile 系統(tǒng)調(diào)用是在 Linux 內(nèi)核 2.1 版本中被引入，它建立了兩個(gè)文件之間的傳輸通道。

sendfile 方式只使用一個(gè)函數(shù)就可以完成之前的 read+write 和 mmap+write 的功能，這樣就少了 2 次狀態(tài)切換，由于數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)用戶緩沖區(qū)，因此該數(shù)據(jù)無(wú)法被修改。

從圖中可以看到，應(yīng)用程序只需要調(diào)用 sendfile 函數(shù)即可完成，只有 2 次狀態(tài)切換、1 次 CPU 拷貝、2 次 DMA 拷貝。

但是 sendfile 在內(nèi)核緩沖區(qū)和 socket 緩沖區(qū)仍然存在一次 CPU 拷貝，或許這個(gè)還可以優(yōu)化。

③sendfile+DMA 收集

Linux 2.4 內(nèi)核對(duì) sendfile 系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行優(yōu)化，但是需要硬件 DMA 控制器的配合。

升級(jí)后的 sendfile 將內(nèi)核空間緩沖區(qū)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)描述信息(文件描述符、地址偏移量等信息)記錄到 socket 緩沖區(qū)中。

DMA 控制器根據(jù) socket 緩沖區(qū)中的地址和偏移量將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到網(wǎng)卡中，從而省去了內(nèi)核空間中僅剩 1 次 CPU 拷貝。

這種方式有 2 次狀態(tài)切換、0 次 CPU 拷貝、2 次 DMA 拷貝，但是仍然無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，并且需要硬件層面 DMA 的支持，并且 sendfile 只能將文件數(shù)據(jù)拷貝到 socket 描述符上，有一定的局限性。

④splice 方式

splice 系統(tǒng)調(diào)用是 Linux 在 2.6 版本引入的，其不需要硬件支持，并且不再限定于 socket 上，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)普通文件之間的數(shù)據(jù)零拷貝。

splice 系統(tǒng)調(diào)用可以在內(nèi)核緩沖區(qū)和 socket 緩沖區(qū)之間建立管道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，避免了兩者之間的 CPU 拷貝操作。

splice 也有一些局限，它的兩個(gè)文件描述符參數(shù)中有一個(gè)必須是管道設(shè)備。

小結(jié)

本文通過(guò)介紹數(shù)據(jù)交互的基本過(guò)程、傳統(tǒng)模式的缺點(diǎn)，進(jìn)而介紹了零拷貝的一些實(shí)現(xiàn)方法。

零拷貝技術(shù)是非常底層且重要的讀寫優(yōu)化，對(duì)于服務(wù)并發(fā)能力的提升有很大幫助，就這么多吧，下期再見！

作者：后端技術(shù)指南針

編輯：陶家龍

出處：轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)后端技術(shù)指南針