零拷贝原理详解

╰半夏微凉° 2022-12-17 04:22 246阅读 0赞

# 引言 #

传统的 Linux 操作系统的标准 I/O 接口是基于数据拷贝操作的，即 I/O 操作会导致数据在操作系统内核地址空间的缓冲区和应用程序地址空间定义的缓冲区之间进行传输。这样做最大的好处是可以减少磁盘 I/O 的操作，因为如果所请求的数据已经存放在操作系统的高速缓冲存储器中，那么就不需要再进行实际的物理磁盘 I/O 操作。但是数据传输过程中的数据拷贝操作却导致了极大的 CPU 开销，限制了操作系统有效进行数据传输操作的能力。  
零拷贝（ zero-copy ）技术可以有效地改善数据传输的性能，在内核驱动程序（比如网络堆栈或者磁盘存储驱动程序）处理 I/O 数据的时候，零拷贝技术可以在某种程度上减少甚至完全避免不必要 CPU 数据拷贝操作。

# 什么是零拷贝？ #

零拷贝就是一种避免 CPU 将数据从一块存储拷贝到另外一块存储的技术。针对操作系统中的设备驱动程序、文件系统以及网络协议堆栈而出现的各种零拷贝技术极大地提升了特定应用程序的性能，并且使得这些应用程序可以更加有效地利用系统资源。这种性能的提升就是通过在数据拷贝进行的同时，允许 CPU 执行其他的任务来实现的。  
零拷贝技术可以减少数据拷贝和共享总线操作的次数，消除传输数据在存储器之间不必要的中间拷贝次数，从而有效地提高数据传输效率。而且，零拷贝技术减少了用户应用程序地址空间和操作系统内核地址空间之间因为上下文切换而带来的开销。进行大量的数据拷贝操作其实是一件简单的任务，从操作系统的角度来说，如果 CPU 一直被占用着去执行这项简单的任务，那么这将会是很浪费资源的；如果有其他比较简单的系统部件可以代劳这件事情，从而使得 CPU 解脱出来可以做别的事情，那么系统资源的利用则会更加有效。综上所述，零拷贝技术的目标可以概括如下：  
避免数据拷贝  
①避免操作系统内核缓冲区之间进行数据拷贝操作。  
②避免操作系统内核和用户应用程序地址空间这两者之间进行数据拷贝操作。  
③用户应用程序可以避开操作系统直接访问硬件存储。  
④数据传输尽量让 DMA 来做。  
将多种操作结合在一起  
①避免不必要的系统调用和上下文切换。  
②需要拷贝的数据可以先被缓存起来。  
③对数据进行处理尽量让硬件来做。

接下来就探讨Linux中**主要的几种零拷贝技术**以及零拷贝技术**适用的场景**。为了迅速建立起零拷贝的概念，我们拿一个常用的场景进行引入：

## 引文 ##

在写一个服务端程序时（Web Server或者文件服务器），文件下载是一个基本功能。这时候服务端的任务是：**将服务端主机磁盘中的文件不做修改地从已连接的socket发出去**，我们通常用下面的代码完成：

1.  `while((n = read(diskfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)`
2.  `write(sockfd, buf , n);`

基本操作就是循环的从磁盘读入文件内容到缓冲区，再将缓冲区的内容发送到`socket`。但是由于Linux的`I/O`操作默认是缓冲`I/O`。这里面主要使用的也就是`read`和`write`两个系统调用，我们并不知道操作系统在其中做了什么。实际上在以上`I/O`操作中，发生了多次的数据拷贝。

当应用程序访问某块数据时，操作系统首先会检查，是不是最近访问过此文件，文件内容是否缓存在内核缓冲区，如果是，操作系统则直接根据`read`系统调用提供的`buf`地址，将内核缓冲区的内容拷贝到`buf`所指定的用户空间缓冲区中去。如果不是，操作系统则首先将磁盘上的数据拷贝的内核缓冲区，这一步目前主要依靠`DMA`来传输，然后再把内核缓冲区上的内容拷贝到用户缓冲区中。  
接下来，`write`系统调用再把用户缓冲区的内容拷贝到网络堆栈相关的内核缓冲区中，最后`socket`再把内核缓冲区的内容发送到网卡上。  
说了这么多，不如看图清楚：

![format_png][]

数据拷贝

从上图中可以看出，共产生了四次数据拷贝，即使使用了`DMA`来处理了与硬件的通讯，CPU仍然需要处理两次数据拷贝，与此同时，在用户态与内核态也发生了多次上下文切换，无疑也加重了CPU负担。

在此过程中，我们没有对文件内容做任何修改，那么在内核空间和用户空间来回拷贝数据无疑就是一种浪费，而零拷贝主要就是为了解决这种低效性。

## 什么是零拷贝技术（zero-copy）？ ##

零拷贝主要的任务就是**避免**CPU将数据从一块存储拷贝到另外一块存储，主要就是利用各种零拷贝技术，避免让CPU做大量的数据拷贝任务，减少不必要的拷贝，或者让别的组件来做这一类简单的数据传输任务，让CPU解脱出来专注于别的任务。这样就可以让系统资源的利用更加有效。

我们继续回到引文中的例子，我们如何减少数据拷贝的次数呢？一个很明显的着力点就是减少数据在内核空间和用户空间来回拷贝，这也引入了零拷贝的一个类型：

让数据传输不需要经过user space

### 使用mmap ###

我们减少拷贝次数的一种方法是调用mmap()来代替read调用：

1.  `buf = mmap(diskfd, len);`
2.  `write(sockfd, buf, len);`

应用程序调用`mmap()`，磁盘上的数据会通过`DMA`被拷贝的内核缓冲区，接着操作系统会把这段内核缓冲区与应用程序共享，这样就不需要把内核缓冲区的内容往用户空间拷贝。应用程序再调用`write()`,操作系统直接将内核缓冲区的内容拷贝到`socket`缓冲区中，这一切都发生在内核态，最后，`socket`缓冲区再把数据发到网卡去。  
同样的，看图很简单：

![format_png 1][]

mmap

使用mmap替代read很明显减少了一次拷贝，当拷贝数据量很大时，无疑提升了效率。但是使用`mmap`是有代价的。当你使用`mmap`时，你可能会遇到一些隐藏的陷阱。例如，当你的程序`map`了一个文件，但是当这个文件被另一个进程截断(truncate)时, write系统调用会因为访问非法地址而被`SIGBUS`信号终止。`SIGBUS`信号默认会杀死你的进程并产生一个`coredump`,如果你的服务器这样被中止了，那会产生一笔损失。

通常我们使用以下解决方案避免这种问题：

1.  **为SIGBUS信号建立信号处理程序**  
    当遇到`SIGBUS`信号时，信号处理程序简单地返回，`write`系统调用在被中断之前会返回已经写入的字节数，并且`errno`会被设置成success,但是这是一种糟糕的处理办法，因为你并没有解决问题的实质核心。
2.  **使用文件租借锁**  
    通常我们使用这种方法，在文件描述符上使用租借锁，我们为文件向内核申请一个租借锁，当其它进程想要截断这个文件时，内核会向我们发送一个实时的`RT_SIGNAL_LEASE`信号，告诉我们内核正在破坏你加持在文件上的读写锁。这样在程序访问非法内存并且被`SIGBUS`杀死之前，你的`write`系统调用会被中断。`write`会返回已经写入的字节数，并且置`errno`为success。

我们应该在`mmap`文件之前加锁，并且在操作完文件后解锁：

1.  `if(fcntl(diskfd, F_SETSIG, RT_SIGNAL_LEASE) == -1) {`
2.  `perror("kernel lease set signal");`
3.  `return -1;`
4.  `}`
5.  `/* l_type can be F_RDLCK F_WRLCK 加锁*/`
6.  `/* l_type can be F_UNLCK 解锁*/`
7.  `if(fcntl(diskfd, F_SETLEASE, l_type)){`
8.  `perror("kernel lease set type");`
9.  `return -1;`
10. `}`
11.

### 使用sendfile ###

###  ###

从2.1版内核开始，Linux引入了`sendfile`来简化操作:

1.  `#include<sys/sendfile.h>`
2.  `ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);`

系统调用`sendfile()`在代表输入文件的描述符`in_fd`和代表输出文件的描述符`out_fd`之间传送文件内容（字节）。描述符`out_fd`必须指向一个套接字，而`in_fd`指向的文件必须是可以`mmap`的。这些局限限制了`sendfile`的使用，使`sendfile`只能将数据从文件传递到套接字上，反之则不行。  
使用`sendfile`不仅减少了数据拷贝的次数，还减少了上下文切换，数据传送始终只发生在`kernel space`。

![format_png 2][]

sendfile系统调用过程

在我们调用`sendfile`时，如果有其它进程截断了文件会发生什么呢？假设我们没有设置任何信号处理程序，`sendfile`调用仅仅返回它在被中断之前已经传输的字节数，`errno`会被置为success。如果我们在调用sendfile之前给文件加了锁，`sendfile`的行为仍然和之前相同，我们还会收到RT\_SIGNAL\_LEASE的信号。

目前为止，我们已经减少了数据拷贝的次数了，但是仍然存在一次拷贝，就是页缓存到socket缓存的拷贝。那么能不能把这个拷贝也省略呢？

### **DMA 辅助的 sendfile** ###

借助于硬件上的帮助，我们是可以办到的。之前我们是把页缓存的数据拷贝到socket缓存中，实际上，我们仅仅需要把缓冲区描述符传到`socket`缓冲区，再把数据长度传过去，这样`DMA`控制器直接将页缓存中的数据打包发送到网络中就可以了。

总结一下，`sendfile`系统调用利用`DMA`引擎将文件内容拷贝到内核缓冲区去，然后将带有文件位置和长度信息的缓冲区描述符添加socket缓冲区去，这一步不会将内核中的数据拷贝到socket缓冲区中，`DMA`引擎会将内核缓冲区的数据拷贝到协议引擎中去，避免了最后一次拷贝。

![format_png 3][]

缺陷：

1）需要硬件以及驱动程序支持。

2）只适用于将数据从文件拷贝到套接字上。

### 使用splice ###

sendfile只适用于将数据从文件拷贝到套接字上，限定了它的使用范围。Linux在`2.6.17`版本引入`splice`系统调用，用于在两个文件描述符中移动数据：

1.  `#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */`
2.  `#include <fcntl.h>`
3.  `ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out, loff_t *off_out, size_t len, unsigned int flags);`

splice调用在两个文件描述符之间移动数据，而不需要数据在内核空间和用户空间来回拷贝。他从`fd_in`拷贝`len`长度的数据到`fd_out`，但是有一方必须是管道设备，这也是目前`splice`的一些局限性。`flags`参数有以下几种取值：

*  **SPLICE\_F\_MOVE** ：尝试去移动数据而不是拷贝数据。这仅仅是对内核的一个小提示：如果内核不能从`pipe`移动数据或者`pipe`的缓存不是一个整页面，仍然需要拷贝数据。Linux最初的实现有些问题，所以从`2.6.21`开始这个选项不起作用，后面的Linux版本应该会实现。
 *  \*\* SPLICE\_F\_NONBLOCK\*\* ：`splice` 操作不会被阻塞。然而，如果文件描述符没有被设置为不可被阻塞方式的 I/O ，那么调用 splice 有可能仍然被阻塞。
 *  \*\* SPLICE\_F\_MORE\*\*： 后面的`splice`调用会有更多的数据。

splice调用利用了Linux提出的管道缓冲区机制， 所以至少一个描述符要为管道。

### **写时复制** ###

在某些情况下，内核缓冲区可能被多个进程所共享，如果某个进程想要这个共享区进行 write 操作，由于 write 不提供任何的锁操作，那么就会对共享区中的数据造成破坏，写时复制就是 Linux 引入来保护数据的。

写时复制，就是当多个进程共享同一块数据时，如果其中一个进程需要对这份数据进行修改，那么就需要将其拷贝到自己的进程地址空间中，这样做并不影响其他进程对这块数据的操作，每个进程要修改的时候才会进行拷贝，所以叫写时拷贝。这种方法在某种程度上能够降低系统开销，如果某个进程永远不会对所访问的数据进行更改，那么也就永远不需要拷贝。

**缺陷：**

需要 MMU 的支持，MMU 需要知道进程地址空间中哪些页面是只读的，当需要往这些页面写数据时，发出一个异常给操作系统内核，内核会分配新的存储空间来供写入的需求。

### **缓冲区共享** ###

这种方法完全改写 I/O 操作，因为传统 I/O 接口都是基于数据拷贝的，要避免拷贝，就去掉原先的那套接口，重新改写，所以这种方法是比较全面的零拷贝技术，目前比较成熟的一个方案是最先在 Solaris 上实现的 fbuf （Fast Buffer，快速缓冲区）。

Fbuf 的思想是每个进程都维护着一个缓冲区池，这个缓冲区池能被同时映射到程序地址空间和内核地址空间，内核和用户共享这个缓冲区池，这样就避免了拷贝。

缺陷：

1）管理共享缓冲区池需要应用程序、网络软件、以及设备驱动程序之间的紧密合作

2）改写 API ，尚处于试验阶段。

![preview][]

### 总结 ###

除此之外，还有一些零拷贝技术，比如传统的Linux I/O中加上`O_DIRECT`标记可以直接`I/O`，避免了自动缓存，还有尚未成熟的`fbufs`技术，本文尚未覆盖所有零拷贝技术，只是介绍常见的一些，如有兴趣，可以自行研究，一般成熟的服务端项目也会自己改造内核中有关I/O的部分，提高自己的数据传输速率。

零拷贝原理  
1.io读写的方式  
1.1中断  
1.2DMA  
2.中断方式  
2.1中断方式的流程图如下：

![20180429234308872][]

①用户进程发起数据读取请求  
②系统调度为该进程分配cpu  
③cpu向io控制器(ide,scsi)发送io请求  
④用户进程等待io完成，让出cpu  
⑤系统调度cpu执行其他任务  
⑥数据写入至io控制器的缓冲寄存器  
⑦缓冲寄存器满了向cpu发出中断信号  
⑧cpu读取数据至内存  
2.2缺点：中断次数取决于缓冲寄存器的大小  
3.DMA ： 直接内存存取  
3.1DMA方式的流程图如下：

![20180429234354258][]

①用户进程发起数据读取请求  
②系统调度为该进程分配cpu  
③cpu向DMA发送io请求  
④用户进程等待io完成，让出cpu  
⑤系统调度cpu执行其他任务  
⑥数据写入至io控制器的缓冲寄存器  
⑦DMA不断获取缓冲寄存器中的数据（需要cpu时钟）  
⑧传输至内存（需要cpu时钟）  
⑨所需的全部数据获取完毕后向cpu发出中断信号  
3.2优点：减少cpu中断次数，不用cpu拷贝数据  
4.数据拷贝  
4.1下面展示了 传统方式读取数据后并通过网络发送 所发生的数据拷贝：

![20180429234402484][]

①一个read系统调用后，DMA执行了一次数据拷贝，从磁盘到内核空间  
②read结束后，发生第二次数据拷贝，由cpu将数据从内核空间拷贝至用户空间  
③send系统调用，cpu发生第三次数据拷贝，由cpu将数据从用户空间拷贝至内核空间(socket缓冲区)  
④send系统调用结束后，DMA执行第四次数据拷贝，将数据从内核拷贝至协议引擎  
⑤另外，这四个过程中，每个过程都发生一次上下文切换  
4.2内存缓冲数据，主要是为了提高性能，内核可以预读部分数据，当所需数据小于内存缓冲区大小时，将极大的提高性能。  
4.3零拷贝是为了消除这个过程中冗余的拷贝  
5.零拷贝-sendfile 对应到java中  
FileChannel.transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)//将数据从文件通道传输到了给定的可写字节通道  
5.1避免了第2，3步的数据拷贝，参考下图：

![20180429234409257][]

①DMA从拷贝至内核缓冲区  
②cpu将数据从内核缓冲区拷贝至内核空间(socket缓冲区)  
③DMA将数据从内核拷贝至协议引擎  
④这三个过程中共发生2次上下文切换，分别为发起读取文件和发送数据  
5.2以上过程发生了三次数据拷贝，其中有一次为cpu完成  
5.3linux内核2.4以后，socket缓冲区做了调整，DMA带收集功能，如下图：

![20180429234415412][]

①DMA从拷贝至内核缓冲区  
②将数据的位置和长度的信息的描述符增加至内核空间(socket缓冲区)  
③DMA将数据从内核拷贝至协议引擎  
6.零拷贝-mmap 对应到java中  
MappedByteBuffer//文件内存映射  
6.1数据不会复制到用户空间，只在内核空间，与sendfile类似，但是应用程序可以直接操作该内存。

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[format_png 3]: /images/20221123/bd2a2e60befe45ea808088e1e15ea1d1.png
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[20180429234354258]: /images/20221123/3cc9933ed1ee4f588a4cf5a24a05cc3c.png
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