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  • 零拷贝Zero-Copy详细介绍

    Linux系统中一切皆文件,仔细想一下Linux系统的很多活动无外乎读操作写操作,零拷贝就是为了提高读写性能而出现的。

    2. 数据拷贝基础过程

    在Linux系统内部缓存和内存容量都是有限的,更多的数据都是存储在磁盘中。对于Web服务器来说,经常需要从磁盘中读取数据到内存,然后再通过网卡传输给用户:

    上述数据流转只是大框,接下来看看几种模式。

    2.1 仅CPU方式

    • 当应用程序需要读取磁盘数据时,调用read()从用户态陷入内核态,read()这个系统调用最终由CPU来完成;
    • CPU向磁盘发起I/O请求,磁盘收到之后开始准备数据;
    • 磁盘将数据放到磁盘缓冲区之后,向CPU发起I/O中断,报告CPU数据已经Ready了;
    • CPU收到磁盘控制器的I/O中断之后,开始拷贝数据,完成之后read()返回,再从内核态切换到用户态;

    2.2 CPU&DMA方式

    CPU的时间宝贵,让它做杂活就是浪费资源。

    直接内存访问(Direct Memory Access),是一种硬件设备绕开CPU独立直接访问内存的机制。所以DMA在一定程度上解放了CPU,把之前CPU的杂活让硬件直接自己做了,提高了CPU效率。

    目前支持DMA的硬件包括:网卡、声卡、显卡、磁盘控制器等。

    有了DMA的参与之后的流程发生了一些变化:

    最主要的变化是,CPU不再和磁盘直接交互,而是DMA和磁盘交互并且将数据从磁盘缓冲区拷贝到内核缓冲区,之后的过程类似。

    敲黑板】无论从仅CPU方式和DMA&CPU方式,都存在多次冗余数据拷贝和内核态&用户态的切换。

    我们继续思考Web服务器读取本地磁盘文件数据再通过网络传输给用户的详细过程。

    3.普通模式数据交互

    一次完成的数据交互包括几个部分:系统调用syscall、CPU、DMA、网卡、磁盘等。

    系统调用syscall是应用程序和内核交互的桥梁,每次进行调用/返回就会产生两次切换:

    • 调用syscall 从用户态切换到内核态
    • syscall返回 从内核态切换到用户态

    来看下完整的数据拷贝过程简图:

    读数据过程:

    • 应用程序要读取磁盘数据,调用read()函数从而实现用户态切换内核态,这是第1次状态切换;
    • DMA控制器将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区,这是第1次DMA拷贝;
    • CPU将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区,这是第1次CPU拷贝;
    • CPU完成拷贝之后,read()函数返回实现用户态切换用户态,这是第2次状态切换;

    写数据过程:

    • 应用程序要向网卡写数据,调用write()函数实现用户态切换内核态,这是第1次切换;
    • CPU将用户缓冲区数据拷贝到内核缓冲区,这是第1次CPU拷贝;
    • DMA控制器将数据从内核缓冲区复制到socket缓冲区,这是第1次DMA拷贝;
    • 完成拷贝之后,write()函数返回实现内核态切换用户态,这是第2次切换;

    综上所述:

    • 读过程涉及2次空间切换、1次DMA拷贝、1次CPU拷贝;
    • 写过程涉及2次空间切换、1次DMA拷贝、1次CPU拷贝;

    可见传统模式下,涉及多次空间切换和数据冗余拷贝,效率并不高,接下来就该零拷贝技术出场了。

    4. 零拷贝技术

    4.1 出现原因

    我们可以看到,如果应用程序不对数据做修改,从内核缓冲区到用户缓冲区,再从用户缓冲区到内核缓冲区。两次数据拷贝都需要CPU的参与,并且涉及用户态与内核态的多次切换,加重了CPU负担。

    我们需要降低冗余数据拷贝、解放CPU,这也就是零拷贝Zero-Copy技术。

    4.2 解决思路

    目前来看,零拷贝技术的几个实现手段包括:mmap+write、sendfile、sendfile+DMA收集、splice等。

    4.2.1 mmap方式

    mmap是Linux提供的一种内存映射文件的机制,它实现了将内核中读缓冲区地址与用户空间缓冲区地址进行映射,从而实现内核缓冲区与用户缓冲区的共享。

    这样就减少了一次用户态和内核态的CPU拷贝,但是在内核空间内仍然有一次CPU拷贝。

    mmap对大文件传输有一定优势,但是小文件可能出现碎片,并且在多个进程同时操作文件时可能产生引发coredump的signal。

    4.2.2 sendfile方式

    mmap+write方式有一定改进,但是由系统调用引起的状态切换并没有减少。

    sendfile系统调用是在 Linux 内核2.1版本中被引入,它建立了两个文件之间的传输通道。

    sendfile方式只使用一个函数就可以完成之前的read+write 和 mmap+write的功能,这样就少了2次状态切换,由于数据不经过用户缓冲区,因此该数据无法被修改。

    从图中可以看到,应用程序只需要调用sendfile函数即可完成,只有2次状态切换、1次CPU拷贝、2次DMA拷贝。

    但是sendfile在内核缓冲区和socket缓冲区仍然存在一次CPU拷贝,或许这个还可以优化。

    4.2.3 sendfile+DMA收集

    Linux 2.4 内核对 sendfile 系统调用进行优化,但是需要硬件DMA控制器的配合。

    升级后的sendfile将内核空间缓冲区中对应的数据描述信息(文件描述符、地址偏移量等信息)记录到socket缓冲区中。

    DMA控制器根据socket缓冲区中的地址和偏移量将数据从内核缓冲区拷贝到网卡中,从而省去了内核空间中仅剩1次CPU拷贝。

    这种方式有2次状态切换、0次CPU拷贝、2次DMA拷贝,但是仍然无法对数据进行修改,并且需要硬件层面DMA的支持,并且sendfile只能将文件数据拷贝到socket描述符上,有一定的局限性。

    4.2.4 splice方式

    splice系统调用是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,实现两个普通文件之间的数据零拷贝。

    splice 系统调用可以在内核缓冲区和socket缓冲区之间建立管道来传输数据,避免了两者之间的 CPU 拷贝操作。

    splice也有一些局限,它的两个文件描述符参数中有一个必须是管道设备。

    5.本文小结

    本文通过介绍数据交互的基本过程、传统模式的缺点,进而介绍了零拷贝的一些实现方法。

    零拷贝技术是非常底层且重要的读写优化,对于服务并发能力的提升有很大帮助。

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