零拷贝的原理

概述

如果学习过 Kafka 的小伙伴,想必对零拷贝技术并不陌生,Kafka 对 Producer 和 Consumer 能有这么快的处理能力,很大程度上就是依赖于对 零拷贝 的支持。零拷贝 是什么呢?它和传统模式有什么区别呢?我们该如何用呢?接下来这篇文章将会就这些问题给您娓娓道来。

传统方式

在我们编写程序将从磁盘中读取数据发送到网络上时,很容易写出下边这段代码:

File.read(fileDesc, buf, len);
Socket.send(socket, buf, len);

这一过程实发生了四次数据拷贝

image.png

  1. 第一次将数据从磁盘**“拷贝”**到内核缓存中
  2. 第二次将数据从内核缓存中**“拷贝”**到用户缓存中
  3. 第三次将数据从用户缓存**“拷贝”**到 Socket 缓存中
  4. 第四次将数据 Socket 缓存**“拷贝”**到网卡缓存中,最后网卡将数据发送到网络空间上。

为什么会频繁的在内核缓存和用户缓存之间“拷贝”呢?

这是因为操作系统在设计之初基于安全性的考量,将内存分成了两部分:一部分是内核空间(kernel-space)对应内核态,一部分是用户空间(user-space)对应用户态,一些敏感性的操作比如对底层硬件设备的操作必须在内核态下完成。

而且这个过程中也伴随着四次上下文的切换:

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  1. 程序在调用 read() 方法之前肯定处于用户态,当执行 read() 时,程序将会从用户态转成核心态
  2. read() 执行完成后,程序将会从核心态-> 用户态,并返回执行结果
  3. 程序在调用 send() 方法时,会从用户态-> 核心态
  4. send() 方法执行完成后,程序将会从核心态-> 用户态,发送完成

毫无意义,多次的数据拷贝和上下文的转化必然会带来很大的时间开销,我们有什么办法来减少非必要的拷贝(比如用户态和核心态的切换)以及上下文的切换呢?

image.png

零拷贝

这就引入了我们今天说主角,零拷贝技术。

零拷贝(Zero-copy)技术指在计算机执行操作时,CPU 不需要先将数据从一个内存区域复制到另一个内存区域,从而可以减少上下文切换以及 CPU 的拷贝时间。
它的作用是在数据报从网络设备到用户程序空间传递的过程中,减少数据拷贝次数,减少系统调用,实现 CPU 的零参与,彻底消除 CPU 在这方面的负载。

简单来说,零拷贝 技术就是通过减少内存间(用户空间和内核空间)非必要的拷贝,从而提高速度的技术。

目前零拷贝的技术主要有三种:

其中我们在 Java 中常用应该是 mmap 技术,比如在 Kafka 中就是通过 mmap 技术实现的。

什么是 mmap 技术呢?

Memory Mapped Files:简称 mmap,也有叫 MMFile 的,使用 mmap 的目的是将内核中读缓冲区(read buffer)的地址与用户空间的缓冲区(user buffer)进行映射。从而实现内核缓冲区与应用程序内存的共享,省去了将数据从内核读缓冲区(read buffer)拷贝到用户缓冲区(user buffer)的过程。它的工作原理是直接利用操作系统的 Page 来实现文件到物理内存的直接映射。完成映射之后你对物理内存的操作会被同步到硬盘上。
使用这种方式可以获取很大的 I/O 提升,省去了用户空间到内核空间复制的开销。

简单一句话总结,mmap 通过将用户态空间核内核空间进行映射,省去了内核缓冲区和用户缓冲区之间的内存“拷贝”进而提高文件传输速度的一种技术。

具体在使用的时候可以通过 nio 中 transferTo 方法(内部是通过系统调用实现的)直接将数据从磁盘发送到网络空间上,具体代码:

transferTo(position, count, writableChannel);

也就是说通过零拷贝技术,我们将前面的四次拷贝过程,变成了下边的两次:

image.png

  1. 第一次,是通过 DMA,从硬盘直接读到操作系统内核的读缓冲区(mmap 技术)里面。
  2. 第二次,则是根据 Socket 的描述符信息,直接从读缓冲区里面,写入到网卡的缓冲区里面。

同时上下文切换也由原来的四种变成了现在的两种:

image.png

  1. transferTo()执行前处于用户态,执行时转成内核态
  2. transferTo()执行完成之后,再由内核态转成用户态

显而易见,通过零拷贝技术,我们可以减少两次内存间的拷贝操作以及两次上下文转换的操作可以大大提高文件传输的速度。

我们这里借用一种 IBM 一篇名为《Efficient data transfer through zero copy》的图来看一下引入零拷贝技术之后一个提升效果。

效果对比图

文件大小 传统方式**(ms)** transferTo (ms)
7MB 156 45
21MB 337 128
63MB 843 387
98MB 1320 617
200MB 2124 1150
350MB 3631 1762
700MB 13498 4422
1GB 18399 8537

很明显引入了零拷贝技术之后大约缩短了 65% 的时间,速度大大加快。

应用场景(以 transferTo 为例)

其实从 transferTo() 原理上看,对于将大量数据从一个 I/O 通道复制到另一个通道的情况(例如 Web 服务器),都是合适的。而对于磁盘文件间的复制,比如从一个磁盘位置复制到另一个磁盘位置,这种方式是不可用的。

总结

零拷贝技术,本质上讲就是通过减少非必要的内存拷贝以及上下文切换,来提高文件在通道间复制速度的一种技术。以本文中的 transferTo() 方法为例,通过该技术,可以将原来四次内存间拷贝减少成两次,将四次上下文切换减少成两次,大大提高复制的速度。但零拷贝技术并非万能的,它有自己的使用场景,对于将大量数据从一个 I/O 通道复制到另一个通道的情况(例如 Web 服务器),都是合适的。而对于磁盘文件间的复制,比如从一个磁盘位置复制到另一个磁盘位置,这种方式是不可用的。

参考

  1. 《Efficient data transfer through zero copy》
  2. 《终于知道 Kafka 为什么这么快了!》
  3. 《DMA:为什么 Kafka 这么快?》
  • Kafka

    Kafka 是一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统,它可以处理消费者规模的网站中的所有动作流数据。 这种动作(网页浏览,搜索和其他用户的行动)是现代系统中许多功能的基础。 这些数据通常是由于吞吐量的要求而通过处理日志和日志聚合来解决。

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  • 操作系统
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