图解|零拷贝Zero-Copy技术大揭秘
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2020-10-26 00:12
1.前言
像大白这种调包侠，深知不懂底层技术点就如同空中楼阁，再这样下去面阿里p10是没希望了。
想到这里，我开始慌了，所以今天和大家一起学习个底层技术点-零拷贝Zero-Copy。
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和写操作，零拷贝就是为了提高读写性能而出现的。
废话不多说，马上开大车，走起！
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；
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，就这么多吧，下期再见！
