淺析 Linux 中的零拷貝技術(shù)
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轉(zhuǎn)自：簡書
作者：卡巴拉的樹
鏈接：https://www.jianshu.com/p/fad3339e3448
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本文探討Linux中 主要的幾種零拷貝技術(shù) 以及零拷貝技術(shù) 適用的場景 。為了迅速建立起零拷貝的概念，我們拿一個常用的場景進(jìn)行引入：
引文
在寫一個服務(wù)端程序時（Web Server或者文件服務(wù)器），文件下載是一個基本功能。這時候服務(wù)端的任務(wù)是：將服務(wù)端主機(jī)磁盤中的文件不做修改地從已連接的socket發(fā)出去，我們通常用下面的代碼完成：
while((n = read(diskfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)
write(sockfd, buf , n);
基本操作就是循環(huán)的從磁盤讀入文件內(nèi)容到緩沖區(qū)，再將緩沖區(qū)的內(nèi)容發(fā)送到socket。但是由于Linux的I/O操作默認(rèn)是緩沖I/O。這里面主要使用的也就是read和write兩個系統(tǒng)調(diào)用，我們并不知道操作系統(tǒng)在其中做了什么。實際上在以上I/O操作中，發(fā)生了多次的數(shù)據(jù)拷貝。
當(dāng)應(yīng)用程序訪問某塊數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)首先會檢查，是不是最近訪問過此文件，文件內(nèi)容是否緩存在內(nèi)核緩沖區(qū)，如果是，操作系統(tǒng)則直接根據(jù)read系統(tǒng)調(diào)用提供的buf地址，將內(nèi)核緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到buf所指定的用戶空間緩沖區(qū)中去。如果不是，操作系統(tǒng)則首先將磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝的內(nèi)核緩沖區(qū)，這一步目前主要依靠DMA來傳輸，然后再把內(nèi)核緩沖區(qū)上的內(nèi)容拷貝到用戶緩沖區(qū)中。
接下來，write系統(tǒng)調(diào)用再把用戶緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到網(wǎng)絡(luò)堆棧相關(guān)的內(nèi)核緩沖區(qū)中，最后socket再把內(nèi)核緩沖區(qū)的內(nèi)容發(fā)送到網(wǎng)卡上。說了這么多，不如看圖清楚：
數(shù)據(jù)拷貝
從上圖中可以看出，共產(chǎn)生了四次數(shù)據(jù)拷貝，即使使用了DMA來處理了與硬件的通訊，CPU仍然需要處理兩次數(shù)據(jù)拷貝，與此同時，在用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)也發(fā)生了多次上下文切換，無疑也加重了CPU負(fù)擔(dān)。
在此過程中，我們沒有對文件內(nèi)容做任何修改，那么在內(nèi)核空間和用戶空間來回拷貝數(shù)據(jù)無疑就是一種浪費(fèi)，而零拷貝主要就是為了解決這種低效性。
什么是零拷貝技術(shù)（zero-copy）？
零拷貝主要的任務(wù)就是避免CPU將數(shù)據(jù)從一塊存儲拷貝到另外一塊存儲，主要就是利用各種零拷貝技術(shù)，避免讓CPU做大量的數(shù)據(jù)拷貝任務(wù)，減少不必要的拷貝，或者讓別的組件來做這一類簡單的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，讓CPU解脫出來專注于別的任務(wù)。這樣就可以讓系統(tǒng)資源的利用更加有效。
我們繼續(xù)回到引文中的例子，我們?nèi)绾螠p少數(shù)據(jù)拷貝的次數(shù)呢？一個很明顯的著力點就是減少數(shù)據(jù)在內(nèi)核空間和用戶空間來回拷貝，這也引入了零拷貝的一個類型：
讓數(shù)據(jù)傳輸不需要經(jīng)過 user space。
使用 mmap
我們減少拷貝次數(shù)的一種方法是調(diào)用mmap()來代替read調(diào)用：
buf = mmap(diskfd, len);
write(sockfd, buf, len);
應(yīng)用程序調(diào)用mmap()，磁盤上的數(shù)據(jù)會通過DMA被拷貝的內(nèi)核緩沖區(qū)，接著操作系統(tǒng)會把這段內(nèi)核緩沖區(qū)與應(yīng)用程序共享，這樣就不需要把內(nèi)核緩沖區(qū)的內(nèi)容往用戶空間拷貝。應(yīng)用程序再調(diào)用write(),操作系統(tǒng)直接將內(nèi)核緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到socket緩沖區(qū)中，這一切都發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，最后，socket緩沖區(qū)再把數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)卡去。同樣的，看圖很簡單：
mmap
使用mmap替代read很明顯減少了一次拷貝，當(dāng)拷貝數(shù)據(jù)量很大時，無疑提升了效率。但是使用mmap是有代價的。當(dāng)你使用mmap時，你可能會遇到一些隱藏的陷阱。例如，當(dāng)你的程序map了一個文件，但是當(dāng)這個文件被另一個進(jìn)程截斷(truncate)時, write系統(tǒng)調(diào)用會因為訪問非法地址而被SIGBUS信號終止。SIGBUS信號默認(rèn)會殺死你的進(jìn)程并產(chǎn)生一個coredump,如果你的服務(wù)器這樣被中止了，那會產(chǎn)生一筆損失。
通常我們使用以下解決方案避免這種問題：
1. 為SIGBUS信號建立信號處理程序
當(dāng)遇到SIGBUS信號時，信號處理程序簡單地返回，write系統(tǒng)調(diào)用在被中斷之前會返回已經(jīng)寫入的字節(jié)數(shù)，并且errno會被設(shè)置成success,但是這是一種糟糕的處理辦法，因為你并沒有解決問題的實質(zhì)核心。
2. 使用文件租借鎖
通常我們使用這種方法，在文件描述符上使用租借鎖，我們?yōu)槲募騼?nèi)核申請一個租借鎖，當(dāng)其它進(jìn)程想要截斷這個文件時，內(nèi)核會向我們發(fā)送一個實時的RTSIGNALLEASE信號，告訴我們內(nèi)核正在破壞你加持在文件上的讀寫鎖。這樣在程序訪問非法內(nèi)存并且被SIGBUS殺死之前，你的write系統(tǒng)調(diào)用會被中斷。write會返回已經(jīng)寫入的字節(jié)數(shù)，并且置errno為success。
我們應(yīng)該在mmap文件之前加鎖，并且在操作完文件后解鎖：
if(fcntl(diskfd, F_SETSIG, RT_SIGNAL_LEASE) == -1) {
perror("kernel lease set signal");
return -1;
}
/* l_type can be F_RDLCK F_WRLCK 加鎖*/
/* l_type can be F_UNLCK 解鎖*/
if(fcntl(diskfd, F_SETLEASE, l_type)){
perror("kernel lease set type");
return -1;
}
使用sendfile
從2.1版內(nèi)核開始，Linux引入了sendfile來簡化操作:
#include
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
系統(tǒng)調(diào)用sendfile()在代表輸入文件的描述符infd和代表輸出文件的描述符outfd之間傳送文件內(nèi)容（字節(jié)）。描述符outfd必須指向一個套接字，而infd指向的文件必須是可以mmap的。這些局限限制了sendfile的使用，使sendfile只能將數(shù)據(jù)從文件傳遞到套接字上，反之則不行。
使用sendfile不僅減少了數(shù)據(jù)拷貝的次數(shù)，還減少了上下文切換，數(shù)據(jù)傳送始終只發(fā)生在kernel space。
sendfile系統(tǒng)調(diào)用過程
在我們調(diào)用sendfile時，如果有其它進(jìn)程截斷了文件會發(fā)生什么呢？假設(shè)我們沒有設(shè)置任何信號處理程序，sendfile調(diào)用僅僅返回它在被中斷之前已經(jīng)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，errno會被置為success。如果我們在調(diào)用sendfile之前給文件加了鎖，sendfile的行為仍然和之前相同，我們還會收到RTSIGNALLEASE的信號。
目前為止，我們已經(jīng)減少了數(shù)據(jù)拷貝的次數(shù)了，但是仍然存在一次拷貝，就是頁緩存到socket緩存的拷貝。那么能不能把這個拷貝也省略呢？
借助于硬件上的幫助，我們是可以辦到的。之前我們是把頁緩存的數(shù)據(jù)拷貝到socket緩存中，實際上，我們僅僅需要把緩沖區(qū)描述符傳到socket緩沖區(qū)，再把數(shù)據(jù)長度傳過去，這樣DMA控制器直接將頁緩存中的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中就可以了。
總結(jié)一下，sendfile系統(tǒng)調(diào)用利用DMA引擎將文件內(nèi)容拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)去，然后將帶有文件位置和長度信息的緩沖區(qū)描述符添加socket緩沖區(qū)去，這一步不會將內(nèi)核中的數(shù)據(jù)拷貝到socket緩沖區(qū)中，DMA引擎會將內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到協(xié)議引擎中去，避免了最后一次拷貝。
帶DMA的sendfile
不過這一種收集拷貝功能是需要硬件以及驅(qū)動程序支持的。
使用splice
sendfile只適用于將數(shù)據(jù)從文件拷貝到套接字上，限定了它的使用范圍。Linux在2.6.17版本引入splice系統(tǒng)調(diào)用，用于在兩個文件描述符中移動數(shù)據(jù)：
#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */
#include
ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out, loff_t *off_out, size_t len, unsignedint flags);
splice調(diào)用在兩個文件描述符之間移動數(shù)據(jù)，而不需要數(shù)據(jù)在內(nèi)核空間和用戶空間來回拷貝。他從fdin拷貝len長度的數(shù)據(jù)到fdout，但是有一方必須是管道設(shè)備，這也是目前splice的一些局限性。flags參數(shù)有以下幾種取值：
SPLICEFMOVE?：嘗試去移動數(shù)據(jù)而不是拷貝數(shù)據(jù)。這僅僅是對內(nèi)核的一個小提示：如果內(nèi)核不能從pipe移動數(shù)據(jù)或者pipe的緩存不是一個整頁面，仍然需要拷貝數(shù)據(jù)。Linux最初的實現(xiàn)有些問題，所以從2.6.21開始這個選項不起作用，后面的Linux版本應(yīng)該會實現(xiàn)。
SPLICEFNONBLOCK?：splice 操作不會被阻塞。然而，如果文件描述符沒有被設(shè)置為不可被阻塞方式的 I/O ，那么調(diào)用 splice 有可能仍然被阻塞。
SPLICEFMORE：后面的splice調(diào)用會有更多的數(shù)據(jù)。
splice調(diào)用利用了Linux提出的管道緩沖區(qū)機(jī)制， 所以至少一個描述符要為管道。
以上幾種零拷貝技術(shù)都是減少數(shù)據(jù)在用戶空間和內(nèi)核空間拷貝技術(shù)實現(xiàn)的，但是有些時候，數(shù)據(jù)必須在用戶空間和內(nèi)核空間之間拷貝。這時候，我們只能針對數(shù)據(jù)在用戶空間和內(nèi)核空間拷貝的時機(jī)上下功夫了。Linux通常利用寫時復(fù)制(copy on write)來減少系統(tǒng)開銷，這個技術(shù)又時常稱作COW。
由于篇幅原因，本文不詳細(xì)介紹寫時復(fù)制。大概描述下就是：如果多個程序同時訪問同一塊數(shù)據(jù)，那么每個程序都擁有指向這塊數(shù)據(jù)的指針，在每個程序看來，自己都是獨(dú)立擁有這塊數(shù)據(jù)的，只有當(dāng)程序需要對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行修改時，才會把數(shù)據(jù)內(nèi)容拷貝到程序自己的應(yīng)用空間里去，這時候，數(shù)據(jù)才成為該程序的私有數(shù)據(jù)。如果程序不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，那么永遠(yuǎn)都不需要拷貝數(shù)據(jù)到自己的應(yīng)用空間里。這樣就減少了數(shù)據(jù)的拷貝。寫時復(fù)制的內(nèi)容可以再寫一篇文章了。。。
除此之外，還有一些零拷貝技術(shù)，比如傳統(tǒng)的Linux I/O中加上O_DIRECT標(biāo)記可以直接I/O，避免了自動緩存，還有尚未成熟的fbufs技術(shù)，本文尚未覆蓋所有零拷貝技術(shù)，只是介紹常見的一些，如有興趣，可以自行研究，一般成熟的服務(wù)端項目也會自己改造內(nèi)核中有關(guān)I/O的部分，提高自己的數(shù)據(jù)傳輸速率。
end
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