走进科学之揭开神秘的零拷贝

原文来源：https://github.com/javagrowing/JGrowing

前言

'零拷贝'这三个字，想必大家多多少少都有听过吧，这个技术在各种开源组件中都使用了，比如kafka,rocketmq,netty,nginx等等开源框架都在其中引用了这项技术。所以今天想和大家分享一下有关于零拷贝的一些知识。

计算机中数据传输

在介绍零拷贝之前我想说下在计算机系统中数据传输的方式。数据传输系统的发展，为了写这一部分又祭出了我尘封多年的计算机组成原理:

早期阶段:

分散连接，串行工作，程序查询。 在这个阶段，CPU就像个保姆一样，需要手把手的把数据从I/O接口读出然后再送给主存。

这个阶段具体流程是:

  1. CPU主动启动I/O设备

  2. 然后CPU一直问I/O设备：老铁你准备好了吗，注意这里是一直询问。

  3. 如果I/O设备告诉了CPU说:我准备好了。CPU就从I/O接口中读数据。

  4. 然后CPU又继续把这个数据传给主存，就像快递员一样。

这种效率很低数据传输过程一直占据着CPU，CPU不能做其他更有意义的事。

接口模块和DMA阶段

接口模块

在冯诺依曼结构中，每个部件之间均有单独连线，不仅线多，而且导致扩展I/O设备很不容易，我们上面的早期阶段就是这个体系，叫作分散连接。扩展一个I/O设备得连接很多线。所以引入了总线连接方式，将多个设备连接在同一组总线上，构成设备之间的公共传输通道。

这个也是现在我们家用电脑或者一些小型计算器的数据交换结构。

在这种模式下数据交换采用程序中断的方式，我们上面知道我们启动I/O设备之后一直在轮询问I/O设备是否准备好，要是把这个阶段去掉了就好了，程序中断很好的实现了我们的夙愿:

  1. CPU主动启动I/O设备。

  2. CPU启动之后不需要再问I/O，开始做其他事，类似异步化。

  3. I/O准备好了之后，通过总线中断告诉CPU我已经准备好了。

  4. CPU进行读取数据，传输给主存中。

DMA

虽然上面的方式虽然提高了CPU的利用率，但是在中断的时候CPU一样是被占用的，为了进一步解决CPU占用，又引入了DMA方式，在DMA方式中，主存和I/O设备之间有一条数据通路，这下主存和I/O设备之间交换数据时，就不需要再次中断CPU。

一般来说我们只需要关注DMA和中断两种即可，下面介绍的都是用来适合大型计算机的一些，这里只说简单的过一下:

具有通道结构的阶段

在小型计算机中采用DMA方式可以实现高速I/O设备与主机之间组成数据的交换，但在大中型计算机中，I/O配置繁多，数据传送频繁，若采用DMA方式会出现一系列问题。

  • 每台I/O设备都配置专用额DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且解决DMA和CPU访问冲突问题，会使控制变得十分复杂。

  • CPU需要对众多的DMA接口进行管理，同样会影响工作效率。

所以引入了通道，通道用来管理I/O设备以及主存与I/O设备之间交换信息的部件，可以视为一种具有特殊功能的处理器。它是从属于CPU的一个专用处理器，CPU不直接参与管理，故提高了CPU的资源利用率

具有I/O处理机的阶段

输入输出系统发展到第四阶段，出现了I/O处理机。I/O处理机又称为外围处理机，它独立于主机工作，既可以完成I/O通道要完成的I/O控制，又完成格式处理，纠错等操作。具有I/O处理机的输出系统与CPU工作的并行度更高，这说明I.O系统对主机来说具有更大的独立性。

小结

我们可以看到数据传输进化的目标是一直在减少CPU占有，提高CPU的资源利用率。

数据拷贝

先介绍一下今天我们的需求，在磁盘中有个文件，现在需要通过网络传输出去。 如果是你应该怎么做？通过上面的一些介绍，相信你心中应该有些想法了吧。

传统拷贝

如果我们用Java代码实现的话用我们会有如下的的实现:伪代码参考如下:

public static void main(String[] args) { Socket socket = null; File file = new File('test.file'); byte[] b = new byte[(int) file.length()]; try { InputStream in = new FileInputStream(file); readFully(in, b); socket.getOutputStream().write(b); } catch (Exception e) { } } private static boolean readFully(InputStream in, byte[] b) { int size = b.length; int offset = 0; int len; for (; size > 0;) { try { len = in.read(b, offset, size); if (len == -1) { return false; } offset += len; size -= len; } catch (Exception ex) { return false; } } return true; }

这是我们传统的拷贝方式具体的数据流转图如下，PS：这里不考虑Java中传输数据时需要先将堆中的数据拷贝到直接内存中。

可以看见我们总管需要经历四个阶段，2次DMA，2次CPU中断，总共四次拷贝，有四次上下文切换，并且会占用两次CPU。

  1. CPU发指令给I/O设备的DMA，由DMA将我们磁盘中的数据传输到内核空间的内核buffer。

  2. 第二阶段触发我们的CPU中断，CPU开始将将数据从kernel buffer拷贝至我们的应用缓存

  3. CPU将数据从应用缓存拷贝到内核中的socket buffer.

  4. DMA将数据从socket buffer中的数据拷贝到网卡缓存。

优点:开发成本低，适合一些对性能要求不高的，比如一些什么管理系统这种我觉得就应该够了

缺点:多次上下文切换，占用多次CPU，性能比较低。

sendFile实现零拷贝

上面是零拷贝呢？在wiki中的定位:通常是指计算机在网络上发送文件时，不需要将文件内容拷贝到用户空间（User Space）而直接在内核空间（Kernel Space）中传输到网络的方式。

在java NIO中FileChannal.transferTo()实现了操作系统的sendFile,我们可以同下面伪代码完成上面需求:

public static void main(String[] args) { SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); FileChannel fileChannel = new FileInputStream('test').getChannel(); fileChannel.transferTo(0,fileChannel.size(),socketChannel); }

我们通过java.nio中的channel替代了我们上面的socket和fileInputStream，从而完成了我们的零拷贝。

上面具体过程如下:

  1. 调用sendfie(),CPU下发指令叫DMA将磁盘数据拷贝到内核buffer中。

  2. DMA拷贝完成发出中断请求，进行CPU拷贝，拷贝到socket buffer中。sendFile调用完成返回。 3.DMA将socket buffer拷贝至网卡buffer。

可以看见我们根本没有把数据复制到我们的应用缓存中，所以这种方式就是零拷贝。但是这种方式依然很蛋疼，虽然减少到了只有三次数据拷贝，但是还是需要CPU中断复制数据。为啥呢？因为DMA需要知道内存地址我才能发送数据啊。所以在Linux2.4内核中做了改进，将Kernel buffer中对应的数据描述信息（内存地址，偏移量）记录到相应的socket缓冲区当中。 最终形成了下面的过程：

这种方式让CPU全程不参与拷贝，因此效率是最好的。

在第三方开源框架中Netty,RocketMQ，kafka中都有类似的代码，大家如果感兴趣可以下来自行搜索。

mmap映射

上面我们提到了零拷贝的实现，但是我们只能将数据原封不动的发给用户，并不能自己使用。于是Linux提供的一种访问磁盘文件的特殊方式，可以将内存中某块地址空间和我们要指定的磁盘文件相关联，从而把我们对这块内存的访问转换为对磁盘文件的访问，这种技术称为内存映射（Memory Mapping）。 我们通过这种技术将文件直接映射到用户态的内存地址，这样对文件的操作不再是write/read,而是直接对内存地址的操作。

在Java中依靠MappedByteBuffer进行mmap映射，具体的MappedByteBuffer可以详情参照这篇文章:https://www.jianshu.com/p/f90866dcbffc 。

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