一文读懂零拷贝

Posted 2021-07-08 鱼翔空

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了一文读懂零拷贝相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

什么是零拷贝？

零拷贝描述的是cpu不参与执行从一个存储区域到另一个存储区域的数据拷贝任务；避免让CPU做大量的数据拷贝任务，将cpu解脱出来专注于别的事，降低cpu在数据拷贝中的使用率。

零拷贝的目的

尽可能少的利用cpu来完成操作；
尽可能减少数据的读写过程；

利用零拷贝的组件

kafka
netty
rocketMq
nginx
基本上有文件和网络交互的为了效率都会用到

基本概念

DMA：直接内存访问（Direct Memory Access）DMA允许外设设备和内存存储器之间直接进行IO数据传输，其过程不需要CPU的参与
缓冲区：是所有IO的基础，IO的作用就是把数据写进或读取出缓冲区
read请求，内核空间缓冲区有直接copy，无则向磁盘或网络请求，通过DMA写入内核缓冲区，然后再copy
write请求，将用户空间的数据copy到内核缓存区，然后通过DMA把内核缓冲区写入磁盘或网卡；
虚拟内存：
一个以上的虚拟地址可以指向同一个物理内存地址，mmp利用这点
虚拟内存空间可大于实际可用的物理地址
内核空间：linux自身使用的空间，主要提供进程调度、内存分配、连接硬件资源等；
用户空间：提供给应用程序的空间
不具备访问内核空间资源的权限；
需要通过内核空间才能访问到内核资源；
使用内核资源，需要从用户到内核，再从内核到用户，cpu最少需要切换两次；

传统拷贝和零拷贝的区别

传统拷贝（基于DMA机制的copy，如果不基于DMA，则还需要两次cpu的参与）

应用程序发出read命令，导致由用户空间切换到内核空间；
通过DMA copy数据数据到page cache；
将数据从page cache copy到用户空间，导致由内核空间切换到用户空间；
应用程序发出write命令，将用户空间数据写入到socket cache中，导致由用户空间切换到内核空间；
写完后，返回写入状态，导致由内核空间切换到用户空间；
在此，总共进行了4次用户态与内核态的上下文切换，2次DMA拷贝，2次CPU数据拷贝；

零拷贝，不需要再将数据拉回应用程序

不同的零拷贝机制处理机制不太一样

零拷贝的实现机制

零拷贝的实现基于操作系统，下面所说的都是在linux中的实现。

mmap 实现

mmap 是利用虚拟内存映射的机制，代替了传统的read操作，减少了数据从内核空间到用户空间的过程；由于mmap可能是多个虚拟内存和物理内存的共享，导致一致性和原子性很难保证，别人删除了，你就无法操作；

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)

发起mmap调用，导致由用户空间切换到内核空间；
mmap 系统调用返回后，导致由内核空间切换到用户空间；
发起write命令调用，cpu 将page cache 数据copy到socket cache中，导致由用户空间切换到内核空间；
wirte 调用返回，导致由内核空间切换到用户空间
在此，总共进行了4次用户态到内核态的上下文切换，2次DMA拷贝，1次cpu数据拷贝；

sendfile 实现

linux2.1 内核以后提供了sendfile实现了零拷贝

#include<sys/sendfile.h>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

参数说明：

out_fd：数据接收方文件句柄；
in_fd：数据提供方文件句柄；
offset：如果 offset 不为 NULL，表示从哪里开始发送数据的偏移量；
count：表示需要发送多少字节的数据；

发起sendfile时，导致由用户空间切换到内核空间；
直接通过DMA拷贝到page cache,再从page cache 到 socket cache进行 cpu copy；
sendfile 调用返回，导致由内核空间切换到用户空间；
DMA异步将内核socket cache中的数据传递到网卡；
在此，总共进行了2次用户态到内核态的上下文切换，2次DMA拷贝，1次CPU拷贝；

到linux2.4版本，操作系统提供scatter和gather的SG-DMA方式，直接从内核空间缓冲区中将数据读取到网卡，无需将内核空间缓冲区的数据再复制一份到socket缓冲区

发起sendfile时，导致由用户空间切换到内核空间；
直接通过DMA拷贝到page cache；
将page cache 中的描述符信息复制到socket缓冲区，
page cache 对应的内存地址；
page cache 的偏移量
sendfile返回，导致由内核空间切换到用户空间
SG-DMA根据描述符直接从page cache中将数据写入到网卡
在此，总共进行了2次上下文切换，2次DMA拷贝;

splice 实现

linux在2.6.17版本引入splice系统调用。sendfile只适用于将数据从文件拷贝到套接字上,使用场景固定。

#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);

splice调用在两个文件描述符之间移动数据，而不需要数据在内核空间和用户空间来回拷贝。它从fd_in拷贝len长度的数据到fd_out，但是有一方必须是管道设备，这也是目前splice的一些局限性。flags参数有以下几种取值：

SPLICE_F_MOVE ：尝试去移动数据而不是拷贝数据。这仅仅是对内核的一个小提示：如果内核不能从pipe移动数据或者pipe的缓存不是一个整页面，仍然需要拷贝数据。Linux最初的实现有些问题，所以从2.6.21开始这个选项不起作用，后面的Linux版本应该会实现。
SPLICE_F_NONBLOCK ：splice 操作不会被阻塞。然而，如果文件描述符没有被设置为不可被阻塞方式的 I/O ，那么调用 splice 有可能仍然被阻塞。
SPLICE_F_MORE：后面的splice调用会有更多的数据。
发起splice时，导致由用户空间切换到内核空间；
直接通过DMA拷贝到page cache；
设置管道将page cache 和socket cache进行关联
splice返回，导致由内核空间切换到用户空间
DMA通过socket cache管道直接从page cache中将数据写入到网卡
在此，总共进行了2次上下文切换，2次DMA拷贝;