為什么?P8?程序員的代碼你寫不出來？零拷貝了解一下

計算機處理的任務(wù)大體可以分為兩類：CPU密集型與IO密集型。

當(dāng)前流行的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用更多的屬于IO密集型，傳統(tǒng)的IO標(biāo)準(zhǔn)接口都是基于數(shù)據(jù)拷貝的，這篇文章我們主要關(guān)注該怎樣從數(shù)據(jù)拷貝的角度來優(yōu)化IO性能，讓你的程序在IO性能方面趕超P8。

為什么IO接口要基于數(shù)據(jù)拷貝？

為了讓廣大碼農(nóng)們更好的沉迷于自己的一畝三分地，防止ta們分心去關(guān)心計算機中的硬件資源分配問題，操作系統(tǒng)誕生了。

操作系統(tǒng)本質(zhì)上就是一個管家，目的就是更加公平合理的給各個進程分配硬件資源，在操作系統(tǒng)出現(xiàn)之前，程序員需要直面各類硬件，就像這樣：

在這一時期程序員真可謂掌控全局，掌控全局帶來的后果就是你需要掌控所有細(xì)節(jié)，這顯然不利于生產(chǎn)力的釋放。

操作系統(tǒng)應(yīng)用而生。

計算機系統(tǒng)就變成這樣了：

現(xiàn)在應(yīng)用程序不需要和硬件直接交互了，僅從IO的角度上看，操作系統(tǒng)變成了一個類似路由器的角色，把應(yīng)用程序遞交過來的數(shù)據(jù)分發(fā)到具體的硬件上去，或者從硬件接收數(shù)據(jù)并分發(fā)給相應(yīng)的進程。

數(shù)據(jù)傳遞是通過什么呢？就是我們常說的buffer，所謂buffer就是一塊可用的內(nèi)存空間，用來暫存數(shù)據(jù)。

操作系統(tǒng)這一中間商導(dǎo)致的問題就是：你需要首先把東西交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)再轉(zhuǎn)手交給硬件，這就必然涉及到數(shù)據(jù)拷貝。

這就是為什么傳統(tǒng)的IO操作必然需要進行數(shù)據(jù)拷貝的原因所在。關(guān)于操作系統(tǒng)系統(tǒng)完整的闡述請參見博主的《深入理解操作系統(tǒng)》。

然而數(shù)據(jù)拷貝是有性能損耗的，接下來我們用一個實例來讓大家對該問題有一個更直觀的認(rèn)知。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

瀏覽器打開一個網(wǎng)頁需要很多數(shù)據(jù)，包括看到的圖片、html文件、css文件、js文件等等，當(dāng)瀏覽器請求這類文件時服務(wù)器端的工作其實是非常簡單的：服務(wù)器只需要從磁盤中抓出該文件然后丟給網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。

代碼基本上類似這樣：

read(fileDesc,?buf,?len);
write(socket,?buf,?len);
這兩段代碼非常簡單，第一行代碼從文件中讀取數(shù)據(jù)存放在buf中，然后將buf中的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。

注意觀察buf，服務(wù)器全程沒有對buf中的數(shù)據(jù)進行任何修改，buf里的數(shù)據(jù)在用戶態(tài)逛了一圈后揮一揮衣袖沒有帶走半點云彩就回到了內(nèi)核態(tài)。

這兩行看似簡單的代碼實際上在底層發(fā)生了什么呢？

答案是這樣的：

在程序看來簡單的兩行代碼在底層是比較復(fù)雜的，看到這張圖你應(yīng)該真心感激操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)就像一個無比稱職的管家，替你把所有臟活累活都承擔(dān)下來，好讓你悠閑的在用戶態(tài)指點江山。

這簡單的兩行代碼涉及：四次數(shù)據(jù)拷貝以及四次上下文切換：

1. read函數(shù)會涉及一次用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，操作系統(tǒng)會向磁盤發(fā)起一次IO請求，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后通過DMA技術(shù)把數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核的buffer中，注意本次數(shù)據(jù)拷貝無需CPU參與。
2. 此后操作系統(tǒng)開始把這塊數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶態(tài)的buffer中，此時read()函數(shù)返回，并從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)，到這時read(fileDesc, buf, len);這行代碼就返回了，buf中裝好了新鮮出爐的數(shù)據(jù)。
3. 接下來send函數(shù)再次導(dǎo)致用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的切換，此時數(shù)據(jù)需要從用戶態(tài)buf拷貝到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議子系統(tǒng)的buf中，具體點該buf屬于在代碼中使用的這個socket。
4. 此后send函數(shù)返回，再次由內(nèi)核態(tài)返回到用戶態(tài)；此時在程序員看來數(shù)據(jù)已經(jīng)成功發(fā)出去了，但實際上數(shù)據(jù)可能依然停留在內(nèi)核中，此后第四次數(shù)據(jù)copy開始，利用DMA技術(shù)把數(shù)據(jù)從socket buf拷貝給網(wǎng)卡，然后真正的發(fā)送出去。

這就是看似簡單的這兩行代碼在底層的完整過程。

你覺得這個過程有什么問題嗎？

發(fā)現(xiàn)問題

有的同學(xué)肯定已經(jīng)注意到了，既然在用戶態(tài)沒有對數(shù)據(jù)進行任何修改，那為什么要這么麻煩的讓數(shù)據(jù)在用戶態(tài)來個一日游呢？直接在內(nèi)核態(tài)從磁盤給到網(wǎng)卡不就可以了嗎？

恭喜你，答對了！

這種優(yōu)化思路就是所謂的零拷貝技術(shù)，Zero Copy。

總體上來看，優(yōu)化數(shù)據(jù)拷貝會有以下三個方向：

1. 用戶態(tài)不需要真正的去訪問數(shù)據(jù)，就像上面這個示例，用戶態(tài)根本不需要知道buf里面裝的是什么。在這種情況下無需把數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝到用戶態(tài)然后再把數(shù)據(jù)從用戶態(tài)拷貝回內(nèi)核態(tài)。
   數(shù)據(jù)無需用戶態(tài)感知，數(shù)據(jù)拷貝完全發(fā)生在內(nèi)核態(tài)。

2. 內(nèi)核態(tài)不要真正的去訪問數(shù)據(jù)，用戶態(tài)程序可以繞過內(nèi)核直接和硬件交互，這樣就避免了內(nèi)核的參與，從而減少數(shù)據(jù)拷貝的可能。
   內(nèi)核無需感知數(shù)據(jù)。

3. 如果內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)不得不進行數(shù)據(jù)交互，則優(yōu)化用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)數(shù)據(jù)的交互方式。

知道了解決問題的思路，我們來看下為了實現(xiàn)零拷貝，計算機系統(tǒng)中都有哪些巧妙的設(shè)計。

mmap

是的，就是mmap，在《mmap可以讓程序員實現(xiàn)哪些騷操作》一文中我們對其進行了詳細(xì)講解，你能想到mmap還可以實現(xiàn)零拷貝嗎？

對于本文提到的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器我們可以這樣修改代碼：

buf?=?mmap(file,?len);
write(socket,?buf,?len);
你可能會想僅僅將read替換為mmap會有什么優(yōu)化嗎？

如果你真的理解了mmap就會知道，mmap僅僅將文件內(nèi)容映射到了進程地址空間中，并沒有真正的拷貝到進程地址空間，這節(jié)省了一次從內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)的數(shù)據(jù)拷貝。

同樣的，當(dāng)調(diào)用write時數(shù)據(jù)直接從內(nèi)核buf拷貝給了socket buf，而不是像read/write方法中把用戶態(tài)數(shù)據(jù)拷貝給socket buf。

我們可以看到，利用mmap我們節(jié)省了一次數(shù)據(jù)拷貝，上下文切換依然是四次。

盡管mmap可以節(jié)省數(shù)據(jù)拷貝，但維護文件與地址空間的映射關(guān)系也是有代價的，除非CPU拷貝數(shù)據(jù)的時間超過維系映射關(guān)系的代價，否則基于mmap的程序性能可能不及傳統(tǒng)的read/write。

此外，如果映射的文件被其它進程截斷，在Linux系統(tǒng)下你的進程將立即接收到SIGBUS信號，因此這種異常情況也需要正確處理。

除了mmap之外，還有其它辦法也可以實現(xiàn)零拷貝。

sendfile

你沒有看錯，在Linux系統(tǒng)下為了解決數(shù)據(jù)拷貝問題專門設(shè)計了這一系統(tǒng)調(diào)用：

#include?
ssize_t?sendfile(int?out_fd,?int?in_fd,?off_t?*offset,?size_t?count);
Windows下也有一個作用類似的API：TransmitFile。

這一系統(tǒng)調(diào)用的目的是在兩個文件描述之間拷貝數(shù)據(jù)，但值得注意的是，數(shù)據(jù)拷貝的過程完全是在內(nèi)核態(tài)完成，因此在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的這個例子中我們將把那兩行代碼簡化為一行，也就是調(diào)用這里的sendfile。

使用sendfile將節(jié)省兩次數(shù)據(jù)拷貝，因為數(shù)據(jù)無需傳輸?shù)接脩魬B(tài)：

調(diào)用sendfile后，首先DMA機制會把數(shù)據(jù)從磁盤拷貝到內(nèi)核buf中，接下來把數(shù)據(jù)從內(nèi)核buf拷貝到相應(yīng)的socket buf中，最后利用DMA機制將數(shù)據(jù)從socket buf拷貝到網(wǎng)卡中。

我們可以看到，同使用傳統(tǒng)的read/write相比少了一次數(shù)據(jù)拷貝，而且內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的切換只有兩次。

有的同學(xué)可能已經(jīng)看出了，這好像不是零拷貝吧，在內(nèi)核中這不是還有一次從內(nèi)核態(tài)buf到socket buf的數(shù)據(jù)拷貝嗎？這次拷貝看上去也是沒有必要的。

的確如此，為解決這一問題，單純的軟件機制已經(jīng)不夠用了，我們需要硬件來幫一點忙，這就是DMA Gather Copy。

sendfile 與DMA Gather Copy

傳統(tǒng)的DMA機制必須從一段連續(xù)的空間中傳輸數(shù)據(jù)，就像這樣：

很顯然，你需要在源頭上把所有需要的數(shù)據(jù)都拷貝到一段連續(xù)的空間中：

現(xiàn)在肯定有同學(xué)會問，為什么不直接讓DMA可以從多個源頭收集數(shù)據(jù)呢？

這就是所謂的DMA Gather Copy。

有了這一特性，無需再將內(nèi)核文件buf中的數(shù)據(jù)拷貝到socket buf，而是網(wǎng)卡利用DMA Gather Copy機制將消息頭以及需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等直接組裝在一起發(fā)送出去。

在這一機制的加持下，CPU甚至完全不需要接觸到需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而且程序利用sendfile編寫的代碼也無需任何改動，這進一步提升了程序性能。

當(dāng)前流行的消息中間件kafka就基于sendfile來高效傳輸文件。

其實你應(yīng)該已經(jīng)看出來了，高效IO的秘訣其實很簡單：盡量少讓CPU參與進來。

實際上sendfile的使用場景是比較受限的，大前提是用戶態(tài)無需看到操作的數(shù)據(jù)，并且只能從文件描述符往socket中傳輸數(shù)據(jù)，而且DMA Gather Copy也需要硬件支持，那么有沒有一種不依賴硬件特性同時又能在任意兩個文件描述符之間以零拷貝方式高效傳遞數(shù)據(jù)的方法呢？

答案是肯定的！這就要說到Linux下的另一個系統(tǒng)調(diào)用了：splice。

Splice

這里還要再次強調(diào)一下不管是sendfile還是這里的splice系統(tǒng)調(diào)用，使用的大前提都是無需在用戶態(tài)看到要傳遞的數(shù)據(jù)。

讓我們再來看一下傳統(tǒng)的read/write方法。

在這一方法下必須將數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝的用戶態(tài)，然后在從用戶態(tài)拷貝回內(nèi)核態(tài)，既然用戶態(tài)無需對該數(shù)據(jù)有任何操作，那么為什么不讓數(shù)據(jù)傳輸直接在內(nèi)核態(tài)中進行呢？

現(xiàn)在目標(biāo)有了，實現(xiàn)方法呢？

答案是借助Linux世界中用于進程間通信的管道，pipe。

還是以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為例，DMA把數(shù)據(jù)從磁盤拷貝到文件buf，然后將數(shù)據(jù)寫入管道，當(dāng)在再次調(diào)用splice后將數(shù)據(jù)從管道讀入socket buf中，然后通過DMA發(fā)送出去，值得注意的是向管道寫數(shù)據(jù)以及從管道讀數(shù)據(jù)并沒有真正的拷貝數(shù)據(jù)，而僅僅傳遞的是該數(shù)據(jù)相關(guān)的必要信息。

你會看到，splice和sendfile是很像的，實際上后來sendfile系統(tǒng)調(diào)用經(jīng)過改造后就是基于splice實現(xiàn)的，既然有splice那么為什么還要保留sendfile呢？答案很簡單，如果直接去掉sendfile，那么之前依賴該系統(tǒng)調(diào)用的所有程序?qū)o法正常運行。

總結(jié)

本文介紹了很多零拷貝的優(yōu)化技巧，但是注意，一定要注意，如果你的程序?qū)π阅芤獩]有到那種極度苛刻哪怕慢1ns都不行的時候，忘掉本文講解的這些所謂優(yōu)化技巧，老老實實用read/write，相比這些所謂的技巧，內(nèi)存拷貝沒有那么糟糕。