IO 零拷贝

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1.传统 IO 拷贝

image.png

如图所示,发生 4 次上下文切换以及 4 次数据拷贝(2 次 CPU 拷贝以及 2 次 DMA 拷贝)

2.零拷贝的几种方式

  • mmap+write
  • sendfile
  • 带有 DMA 收集拷贝功能的 sendfile

2.1mmap+write

虚拟内存

现代操作系统使用虚拟内存,即虚拟地址取代物理地址,使用虚拟内存可以有 2 个好处:

  • 虚拟内存空间可以远远大于物理内存空间
  • 多个虚拟内存可以指向同一个物理地址

正是多个虚拟内存可以指向同一个物理地址 ,可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址,这样的话,就可以减少 IO 的数据拷贝次数啦,示意图如下

image.png

mmap

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  • 用户进程通过 mmap方法 向操作系统内核发起 IO 调用,上下文从用户态切换为内核态
  • CPU 利用 DMA 控制器,把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
  • 上下文从内核态切换回用户态 ,mmap 方法返回。
  • 用户进程通过 write 方法向操作系统内核发起 IO 调用,上下文从用户态切换为内核态
  • CPU 将内核缓冲区的数据拷贝到的 socket 缓冲区。
  • CPU 利用 DMA 控制器,把数据从 socket 缓冲区拷贝到网卡,上下文从内核态切换回用户态 ,write 调用返回。

可以发现,mmap+write 实现的零拷贝,I/O 发生了 4 次用户空间与内核空间的上下文切换,以及 3 次数据拷贝。其中 3 次数据拷贝中,包括了 2 次 DMA 拷贝和 1 次 CPU 拷贝

mmap 是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射,内核缓冲区和应用缓冲区共享,所以节省了一次 CPU 拷贝‘’并且用户进程内存是虚拟的 ,只是映射 到内核的读缓冲区,可以节省一半的内存空间。

2.2 sendfile

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  1. 用户进程发起 sendfile 系统调用,上下文(切换 1)从用户态转向内核态
  2. DMA 控制器,把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
  3. CPU 将读缓冲区中数据拷贝到 socket 缓冲区
  4. DMA 控制器,异步把数据从 socket 缓冲区拷贝到网卡,
  5. 上下文(切换 2)从内核态切换回用户态 ,sendfile 调用返回

sendfile 实现的零拷贝,I/O 发生了 2 次用户空间与内核空间的上下文切换,以及 3 次数据拷贝。其中 3 次数据拷贝中,包括了 2 次 DMA 拷贝和 1 次 CPU 拷贝 。那能不能把 CPU 拷贝的次数减少到 0 次呢?有的,即 带有DMA收集拷贝功能的sendfile

2.3 sendfile+DMA scatter/gather

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  1. 用户进程发起 sendfile 系统调用,上下文(切换 1)从用户态转向内核态
  2. DMA 控制器,把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
  3. CPU 把内核缓冲区中的文件描述符信息 (包括内核缓冲区的内存地址和偏移量)发送到 socket 缓冲区
  4. DMA 控制器根据文件描述符信息,直接把数据从内核缓冲区拷贝到网卡
  5. 上下文(切换 2)从内核态切换回用户态 ,sendfile 调用返回。

可以发现,sendfile+DMA scatter/gather 实现的零拷贝,I/O 发生了 2 次用户空间与内核空间的上下文切换,以及 2 次数据拷贝。其中 2 次数据拷贝都是包 DMA 拷贝 。这就是真正的 零拷贝(Zero-copy) 技术,全程都没有通过 CPU 来搬运数据,所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的。

3. Java 中的零拷贝

3.1 mmap

Java NIO 有一个 MappedByteBuffer 的类,可以用来实现内存映射

try {
	    //读取文件
            FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./jay.txt"), StandardOpenOption.READ);
	    //mmap映射读取文件
            MappedByteBuffer data = readChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, 1024 * 1024 * 40);
	    //获取写入通道
            FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./siting.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
            //数据传输,从mappedBytebuffer中写入到目标通道
            writeChannel.write(data);
            readChannel.close();
            writeChannel.close();
        }catch (Exception e){
            System.out.println(e.getMessage());
        }

3.2 sendfile

FileChannel 的 transferTo()/transferFrom(),底层就是 sendfile() 系统调用函数。Kafka 这个开源项目就用到它

try {
            FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./jay.txt"), StandardOpenOption.READ);
            long len = readChannel.size();
            long position = readChannel.position();
        
            FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./siting.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
            //数据传输
            readChannel.transferTo(position, len, writeChannel);
            readChannel.close();
            writeChannel.close();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }

4.直接内存


                
1 操作
AshShawn 在 2022-06-09 20:50:49 更新了该帖

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