Linux 百萬并發(fā)「零拷貝」實現(xiàn)原理
傳統(tǒng)的I/O操作讀取文件并通過Socket發(fā)送，需要經(jīng)過4次上下文切換、2次CPU數(shù)據(jù)拷貝和2次DMA控制器數(shù)據(jù)拷貝，如下圖：
操作系統(tǒng)層面的減少數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)主要是指用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝，因為只有他們的拷貝是大量消耗CPU時間片的，而DMA控制器拷貝數(shù)據(jù)CPU參與的工作較少，只是輔助作用。
現(xiàn)實中對零拷貝的概念有廣義和狹義之分，廣義上是指只要減少了數(shù)據(jù)拷貝的次數(shù)就稱之為零拷貝；狹義上是指真正的零拷貝，比如上例中避免2和3的CPU拷貝。
下面我們逐一看看他們的設(shè)計思想和實現(xiàn)方案
每個進(jìn)程都有自己的PageTable，進(jìn)程的虛擬內(nèi)存地址通過PageTable對應(yīng)于物理內(nèi)存，內(nèi)存分配具有惰性，它的過程一般是這樣的：進(jìn)程創(chuàng)建后新建與進(jìn)程對應(yīng)的PageTable，當(dāng)進(jìn)程需要內(nèi)存時會通過PageTable尋找物理內(nèi)存，如果沒有找到對應(yīng)的頁幀就會發(fā)生缺頁中斷，從而創(chuàng)建PageTable與物理內(nèi)存的對應(yīng)關(guān)系。虛擬內(nèi)存不僅可以對物理內(nèi)存進(jìn)行擴(kuò)展，還可以更方便地靈活分配，并對編程提供更友好的操作。
內(nèi)存映射(mmap)是指用戶空間和內(nèi)核空間的虛擬內(nèi)存地址同時映射到同一塊物理內(nèi)存，用戶態(tài)進(jìn)程可以直接操作物理內(nèi)存，避免用戶空間和內(nèi)核空間之間的數(shù)據(jù)拷貝。
它的具體執(zhí)行流程是這樣的
用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用mmap函數(shù)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，發(fā)生第1次上下文切換，并建立內(nèi)核緩沖區(qū)；
發(fā)生缺頁中斷，CPU通知DMA讀取數(shù)據(jù)；
DMA拷貝數(shù)據(jù)到物理內(nèi)存，并建立內(nèi)核緩沖區(qū)和物理內(nèi)存的映射關(guān)系；
建立用戶空間的進(jìn)程緩沖區(qū)和同一塊物理內(nèi)存的映射關(guān)系，由內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩魬B(tài)，發(fā)生第2次上下文切換；
用戶進(jìn)程進(jìn)行邏輯處理后，通過系統(tǒng)調(diào)用Socket send，用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，發(fā)生第3次上下文切換；
系統(tǒng)調(diào)用Send創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)，并拷貝內(nèi)核讀緩沖區(qū)數(shù)據(jù)；
DMA控制器將網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送網(wǎng)卡，并返回，由內(nèi)核態(tài)進(jìn)入用戶態(tài)，發(fā)生第4次上下文切換；
避免了內(nèi)核空間和用戶空間的2次CPU拷貝，但增加了1次內(nèi)核空間的CPU拷貝，整體上相當(dāng)于只減少了1次CPU拷貝；
針對大文件比較適合mmap，小文件則會造成較多的內(nèi)存碎片，得不償失；
當(dāng)mmap一個文件時，如果文件被另一個進(jìn)程截獲可能會因為非法訪問導(dǎo)致進(jìn)程被SIGBUS 信號終止；
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);out_fd為文件描述符，in_fd為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)描述符，offset偏移量（默認(rèn)NULL），count文件大小。
它的內(nèi)部執(zhí)行流程是這樣的
用戶進(jìn)程系統(tǒng)調(diào)用senfile，由用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，發(fā)生第1次上下文切換；
CPU通知DMA控制器把文件數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)；
內(nèi)核空間自動調(diào)用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送功能并拷貝數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)；
CPU通知DMA控制器發(fā)送數(shù)據(jù)；
sendfile系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束并返回，進(jìn)程由內(nèi)核態(tài)進(jìn)入用戶態(tài)，發(fā)生第2次上下文切換；
總結(jié)
數(shù)據(jù)處理完全是由內(nèi)核操作，減少了2次上下文切換，整個過程2次上下文切換、1次CPU拷貝，2次DMA拷貝；
雖然可以設(shè)置偏移量，但不能對數(shù)據(jù)進(jìn)行任何的修改；
用戶進(jìn)程系統(tǒng)調(diào)用senfile，由用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，發(fā)生第1次上下文切換；
CPU通知DMA控制器把文件數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)；
把內(nèi)核緩沖區(qū)地址和sendfile的相關(guān)參數(shù)作為數(shù)據(jù)描述信息存在網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)中；
CPU通知DMA控制器，DMA根據(jù)網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)描述截取數(shù)據(jù)并發(fā)送；
sendfile系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束并返回，進(jìn)程由內(nèi)核態(tài)進(jìn)入用戶態(tài)，發(fā)生第2次上下文切換；
需要硬件支持，如DMA；
整個過程2次上下文切換，0次CPU拷貝，2次DMA拷貝，實現(xiàn)真正意義上的零拷貝；
依然不能修改數(shù)據(jù)；
但那時的sendfile有個致命的缺陷，如果你查看Sendfild手冊，你會發(fā)現(xiàn)如下描述
in_fd不僅僅不能是socket，而且在2.6.33之前Sendfile的out_fd必須是socket，因此sendfile幾乎成了專為網(wǎng)絡(luò)傳輸而設(shè)計的，限制了其使用范圍比較狹窄。2.6.33之后out_fd才可以是任何file，于是乎出現(xiàn)了splice。
ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out, loff_t *off_out, size_t len, unsigned int flags);它的執(zhí)行流程如下
用戶進(jìn)程系統(tǒng)調(diào)用splice，由用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，發(fā)生第1次上下文切換；
CPU通知DMA控制器把文件數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)；
建立內(nèi)核緩沖區(qū)和網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)的管道；
CPU通知DMA控制器，DMA從管道讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送；
splice系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束并返回，進(jìn)程由內(nèi)核態(tài)進(jìn)入用戶態(tài)，發(fā)生第2次上下文切換；
整個過程2次上下文切換，0次CPU拷貝，2次DMA拷貝，實現(xiàn)真正意義上的零拷貝；
依然不能修改數(shù)據(jù)；
fd_in和fd_out必須有一個是管道；
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