詳解Linux系統(tǒng)中的零拷貝技術(shù)

1.前言

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。

2. 數(shù)據(jù)拷貝基礎(chǔ)過程

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)器來說，經(jīng)常需要從磁盤中讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存，然后再通過網(wǎng)卡傳輸給用戶：

上述數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)只是大框，接下來看看幾種模式。

2.1 僅CPU方式

• 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，再從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)；

2.2 CPU&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（Direct Memory Access），是一種硬件設(shè)備繞開CPU獨(dú)立直接訪問內(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)，之后的過程類似。

“【敲黑板】無論從僅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)再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶的詳細(xì)過程。

3.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)

來看下完整的數(shù)據(jù)拷貝過程簡圖：

讀數(shù)據(jù)過程：

• 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：

• 讀過程涉及2次空間切換、1次DMA拷貝、1次CPU拷貝；
• 寫過程涉及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，接下來就該零拷貝技術(shù)出場了。

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4. 零拷貝技術(shù)

4.1 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)，再從用戶緩沖區(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)。

4.2 解決思路

目前來看，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。

4.2.1 mmap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，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。

4.2.2 sendfile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)過用戶緩沖區(qū)，因此該數(shù)據(jù)無法被修改。

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。

4.2.3 sendfile+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。

4.2.4 splice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。

5.本文小結(jié)

本文通過介紹數(shù)據(jù)交互的基本過程、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。