浅析零拷贝技术

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前言

零拷贝（英语：Zero-copy）技术是指计算机执行操作时，CPU不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域。这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。

零拷贝操作减少了在用户空间与内核空间之间切换模式的次数。

举例来说，如果要读取一个文件并通过网络发送它，传统方式下如下图，传统的I/O操作进行了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4次数据拷贝中包括了2次DMA拷贝和2次CPU拷贝。通过零拷贝技术完成相同的操作，减少了在用户空间与内核空间交互，并且不需要CPU复制数据。

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linux中零拷贝技术

Linux系统的“用户空间”和“内核空间”

从Linux系统上看，除了引导系统的BIN区，整个内存空间主要被分成两个部分：内核空间(Kernel space)、用户空间(User space)。

“用户空间”和“内核空间”的空间、操作权限以及作用都是不一样的。

内核空间是Linux自身使用的内存空间，主要提供给程序调度、内存分配、连接硬件资源等程序逻辑使用；用户空间则是提供给各个进程的主要空间。

用户空间不具有访问内核空间资源的权限，因此如果应用程序需要使用到内核空间的资源，则需要通过系统调用来完成：从用户空间切换到内核空间，然后在完成相关操作后再从内核空间切换回用户空间。

Linux 中零拷贝技术的实现方向
  • 直接 I/O：对于这种数据传输方式来说，应用程序可以直接访问硬件存储，操作系统内核只是辅助数据传输。这种方式依旧存在用户空间和内核空间的上下文切换，但是硬件上的数据不会拷贝一份到内核空间，而是直接拷贝至了用户空间，因此直接I/O不存在内核空间缓冲区和用户空间缓冲区之间的数据拷贝。
  • 在数据传输过程中，避免数据在用户空间缓冲区和系统内核空间缓冲区之间的CPU拷贝，以及数据在系统内核空间内的CPU拷贝。本文主要讨论的就是该方式下的零拷贝机制。
  • copy-on-write(写时复制技术)：在某些情况下，Linux操作系统的内核空间缓冲区可能被多个应用程序所共享，操作系统有可能会将用户空间缓冲区地址映射到内核空间缓存区中。当应用程序需要对共享的数据进行修改的时候，才需要真正地拷贝数据到应用程序的用户空间缓冲区中，并且对自己用户空间的缓冲区的数据进行修改不会影响到其他共享数据的应用程序。所以，如果应用程序不需要对数据进行任何修改的话，就不会存在数据从系统内核空间缓冲区拷贝到用户空间缓冲区的操作。
mmap
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buf = mmap(diskfd, len);
write(sockfd, buf, len);

应用程序调用mmap()，磁盘上的数据会通过DMA被拷贝的内核缓冲区，接着操作系统会把这段内核缓冲区与应用程序共享，这样就不需要把内核缓冲区的内容往用户空间拷贝。应用程序再调用write(),操作系统直接将内核缓冲区的内容拷贝到socket缓冲区中，这一切都发生在内核态，最后，socket缓冲区再把数据发到网卡去。

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使用mmap替代read很明显减少了一次拷贝，当拷贝数据量很大时，无疑提升了效率。但是使用mmap是有代价的。当你使用mmap时，你可能会遇到一些隐藏的陷阱。例如，当你的程序map了一个文件，但是当这个文件被另一个进程截断(truncate)时, write系统调用会因为访问非法地址而被SIGBUS信号终止。SIGBUS信号默认会杀死你的进程并产生一个coredump,如果你的服务器这样被中止了，那会产生一笔损失。

当然也有办法解决，本文忽略解决办法。

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

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sendfile实现的零拷贝I/O只使用了2次用户空间与内核空间的上下文切换，以及3次数据的拷贝。其中3次数据拷贝中包括了2次DMA拷贝和1次CPU拷贝。

splice

sendfile只适用于将数据从文件拷贝到套接字上，限定了它的使用范围。Linux在2.6.17版本引入splice系统调用，用于在两个文件描述符中移动数据：

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#define _GNU_SOURCE         /* See feature_test_macros(7) */
#include <fcntl.h>
ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out, loff_t *off_out, size_t len, unsigned int flags);

Java中如何使用零拷贝

DMA简介

io读写的方式：中断，DMA

DMA 直接内存存取,是允许外设组件将I/O数据直接传送到主存储器中并且传输不需要CPU的参与，以此将CPU解放出来去完成其他的事情。，相较于中断方式，减少cpu中断次数，不用cpu拷贝数据。

主要流程如下：

  1. 用户进程发起数据读取请求
  2. 系统调度为该进程分配cpu
  3. cpu向DMA发送io请求
  4. 用户进程等待io完成，让出cpu
  5. 系统调度cpu执行其他任务
  6. 数据写入至io控制器的缓冲寄存器
  7. DMA不断获取缓冲寄存器中的数据（需要cpu时钟）
  8. 传输至内存（需要cpu时钟）
  9. 所需的全部数据获取完毕后向cpu发出中断信号

参考地址

  1. 浅析Linux中的零拷贝技术：https://www.jianshu.com/p/fad3339e3448
  2. 零复制：https://zh.wikipedia.org/wiki/零复制
  3. 零拷贝原理-数据的收发-软中断和DMA：https://blog.csdn.net/xiaofei0859/article/details/74321216
  4. 浅谈 Linux下的零拷贝机制：https://cloud.tencent.com/developer/article/1152609

参考地址

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