sendfile“零拷贝”、mmap内存映射、DMA

港控/mmm° 2021-06-10 20:38 392阅读 0赞

KAFKA推送消息用到了sendfile，落盘技术用到了mmap，DMA贯穿其中。

## **先说说零拷贝** ##

零拷贝并不是不需要拷贝，而是减少不必要的拷贝次数。通常是说在IO读写过程中。

实际上，零拷贝是有广义和狭义之分，目前我们通常听到的零拷贝，包括上面这个定义减少不必要的拷贝次数都是广义上的零拷贝。其实了解到这点就足够了。

我们知道，减少不必要的拷贝次数，就是为了提高效率。那零拷贝之前，是怎样的呢？

聊聊传统IO流程

比如：读取文件，再用socket发送出去

传统方式实现：

先读取、再发送，实际经过1~4四次copy。

1、第一次：将磁盘文件，读取到操作系统内核缓冲区；

2、第二次：将内核缓冲区的数据，copy到application应用程序的buffer；

3、第三步：将application应用程序buffer中的数据，copy到socket网络发送缓冲区(属于操作系统内核的缓冲区)；

4、第四次：将socket buffer的数据，copy到网卡，由网卡进行网络传输。

传统方式，读取磁盘文件并进行网络发送，经过的四次数据copy是非常繁琐的。实际IO读写，需要进行IO中断，需要CPU响应中断(带来上下文切换)，尽管后来引入DMA来接管CPU的中断请求，但四次copy是存在“不必要的拷贝”的。**(什么是DMA？**

其实DMA技术很容易理解，本质上，DMA技术就是我们在主板上放⼀块独立的芯片。在进行内存和I/O设备的数据传输的时候，我们不再通过CPU来控制数据传输，而直接通过 DMA控制器（DMA?Controller，简称DMAC）。这块芯片，我们可以认为它其实就是一个协处理器（Co-Processor）)

重新思考传统IO方式，会注意到实际上并不需要第二个和第三个数据副本。应用程序除了缓存数据并将其传输回套接字缓冲区之外什么都不做。相反，数据可以直接从读缓冲区传输到套接字缓冲区。

显然，第二次和第三次数据copy 其实在这种场景下没有什么帮助反而带来开销，这也正是零拷贝出现的意义。

这种场景：是指读取磁盘文件后，不需要做其他处理，直接用网络发送出去。试想，如果读取磁盘的数据需要用程序进一步处理的话，必须要经过第二次和第三次数据copy，让应用程序在内存缓冲区处理。

为什么Kafka这么快

kafka作为MQ也好，作为存储层也好，无非是两个重要功能，一是Producer生产的数据存到broker，二是 Consumer从broker读取数据；我们把它简化成如下两个过程：

1、网络数据持久化到磁盘 (Producer 到 Broker)

2、磁盘文件通过网络发送（Broker 到 Consumer）

下面，先给出“kafka用了磁盘，还速度快”的结论

1、顺序读写

磁盘顺序读或写的速度400M/s，能够发挥磁盘最大的速度。

随机读写，磁盘速度慢的时候十几到几百K/s。这就看出了差距。

kafka将来自Producer的数据，顺序追加在partition，partition就是一个文件，以此实现顺序写入。

Consumer从broker读取数据时，因为自带了偏移量，接着上次读取的位置继续读，以此实现顺序读。

顺序读写，是kafka利用磁盘特性的一个重要体现。

**2、零拷贝 sendfile(in,out)**

**数据直接在内核完成输入和输出，不需要拷贝到用户空间再写出去。**

**kafka数据写入磁盘前，数据先写到进程的内存空间。**

**3、mmap文件映射**

**虚拟映射只支持文件；**

**在进程 的非堆内存开辟一块内存空间，和OS内核空间的一块内存进行映射，**

**kafka数据写入、是写入这块内存空间，但实际这块内存和OS内核内存有映射，也就是相当于写在内核内存空间了，且这块内核空间、内核直接能够访问到，直接落入磁盘。**

这里，我们需要清楚的是：内核缓冲区的数据，flush就能完成落盘。

我们来重点探究 kafka两个重要过程、以及是如何利用两个零拷贝技术sendfile和mmap的。

网络数据持久化到磁盘 (Producer 到 Broker)

传统方式实现：

先接收生产者发来的消息，再落入磁盘。

**数据落盘通常都是非实时的，kafka生产者数据持久化也是如此。Kafka的数据并不是实时的写入硬盘，它充分利用了现代操作系统分页存储来利用内存提高I/O效率。**

**对于kafka来说，Producer生产的数据存到broker，这个过程读取到socket buffer的网络数据，其实可以直接在OS内核缓冲区，完成落盘。并没有必要将socket buffer的网络数据，读取到应用进程缓冲区；在这里应用进程缓冲区其实就是broker，broker收到生产者的数据，就是为了持久化。**

在此特殊场景下：接收来自socket buffer的网络数据，应用进程不需要中间处理、直接进行持久化时。——可以使用mmap内存文件映射。

**Memory Mapped Files**

**简称mmap，简单描述其作用就是：将磁盘文件映射到内存, 用户通过修改内存就能修改磁盘文件。**

**它的工作原理是直接利用操作系统的Page来实现文件到物理内存的直接映射。完成映射之后你对物理内存的操作会被同步到硬盘上（操作系统在适当的时候）。**

**通过mmap，进程像读写硬盘一样读写内存（当然是虚拟机内存），也不必关心内存的大小有虚拟内存为我们兜底。**

**使用这种方式可以获取很大的I/O提升，省去了用户空间到内核空间复制的开销。**

**mmap也有一个很明显的缺陷——不可靠，写到mmap中的数据并没有被真正的写到硬盘，操作系统会在程序主动调用flush的时候才把数据真正的写到硬盘。Kafka提供了一个参数——producer.type来控制是不是主动flush；如果Kafka写入到mmap之后就立即flush然后再返回Producer叫同步(sync)；写入mmap之后立即返回Producer不调用flush叫异步(async)。**

Java NIO对文件映射的支持

Java NIO，提供了一个 MappedByteBuffer 类可以用来实现内存映射。

MappedByteBuffer只能通过调用FileChannel的map()取得，再没有其他方式。

FileChannel.map()是抽象方法，具体实现是在 FileChannelImpl.c 可自行查看JDK源码，其map0()方法就是调用了Linux内核的mmap的API。

使用 MappedByteBuffer类要注意的是：mmap的文件映射，在full gc时才会进行释放。当close时，需要手动清除内存映射文件，可以反射调用sun.misc.Cleaner方法。

磁盘文件通过网络发送（Broker 到 Consumer）

传统方式实现：

先读取磁盘、再用socket发送，实际也是进过四次copy。

**而 Linux 2.4+ 内核通过 sendfile 系统调用，提供了零拷贝。磁盘数据通过 DMA 拷贝到内核态 Buffer 后，直接通过 DMA 拷贝到 NIC Buffer(socket buffer)，无需 CPU 拷贝。这也是零拷贝这一说法的来源。除了减少数据拷贝外，因为整个读文件 - 网络发送由一个 sendfile 调用完成，整个过程只有两次上下文切换，因此大大提高了性能。零拷贝过程如下图所示。**

**相比于文章开始，对传统IO 4步拷贝的分析，sendfile将第二次、第三次拷贝，一步完成。**

**其实这项零拷贝技术，直接从内核空间（DMA的）到内核空间（Socket的)、然后发送网卡。**

**应用的场景非常多，如Tomcat、Nginx、Apache等web服务器返回静态资源等，将数据用网络发送出去，都运用了sendfile。**

**简单理解 sendfile(in,out)就是，磁盘文件读取到操作系统内核缓冲区后、直接扔给网卡，发送网络数据。**

**Java NIO对sendfile的支持就是FileChannel.transferTo()/transferFrom()。**

**fileChannel.transferTo( position, count, socketChannel);**

**把磁盘文件读取OS内核缓冲区后的fileChannel，直接转给socketChannel发送；底层就是sendfile。消费者从broker读取数据，就是由此实现。**

具体来看，Kafka 的数据传输通过 TransportLayer 来完成，其子类 PlaintextTransportLayer 通过Java NIO 的 FileChannel 的 transferTo 和 transferFrom 方法实现零拷贝。

注： transferTo 和 transferFrom 并不保证一定能使用零拷贝。实际上是否能使用零拷贝与操作系统相关，如果操作系统提供 sendfile 这样的零拷贝系统调用，则这两个方法会通过这样的系统调用充分利用零拷贝的优势，否则并不能通过这两个方法本身实现零拷贝。

Kafka总结

总的来说Kafka快的原因：

1、partition顺序读写，充分利用磁盘特性，这是基础；

2、Producer生产的数据持久化到broker，采用mmap文件映射，实现顺序的快速写入；

3、Customer从broker读取数据，采用sendfile，将磁盘文件读到OS内核缓冲区后，直接转到socket buffer进行网络发送。

**mmap 和 sendfile总结**

**1、都是Linux内核提供、实现零拷贝的API；**

**2、sendfile 是将读到内核空间的数据，转到socket buffer，进行网络发送；**

**3、mmap将磁盘文件映射到内存，支持读和写，对内存的操作会反映在磁盘文件上。**

**RocketMQ 在消费消息时，使用了 mmap。kafka 使用了 sendFile。**

**关于DMA**

**为什么那么快？一起来看Kafka的实现原理**

**1、它究竟是怎么利用DMA的？**

Kafka是一个用来处理实时数据的管道，我们常常用它来做一个消息队列，或者用来收集和落地海量的日志。作为一个处理实时数据和日志的管道，瓶颈自然也在I/O层面。

**2、Kafka里面两种常用的海量数据传输的情况是什么？**

Kafka里面会有两种常用的海量数据传输的情况。一种是从网络络中接收上游的数据，然后需要落地到本地的磁盘上，确保数据不丢失。

另一种情况呢，则是从本地磁盘上读取出来，通过网络发送出去。

我们来看一看后一种情况，从磁盘读数据发送到网络上去。如果我们自己写一个简单的程序，最直观的办法，自然是用个一件读操作，从磁盘上把数据读到内存里面来，

然后再用个Socket，把这些数据发送到网络上去。

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**3、我们只是要“搬运”一份数据，结果却整整搬运了四次**

在这个过程中，数据一共发生了四次传输的过程。其中两次是DMA的传输，另外两次，则是通过CPU控制的传输。下面我们来具体看看这个过程。

第一次传输，是从硬盘上，读到操作系统内核的缓冲区里。这个传输是通过DMA搬运的。

第二次传输，需要从内核缓冲区里面的数据，复制到我们应用分配的内存里面。这个传输是通过CPU搬运的。

第三次传输，要从我们应用的内存里面，再写到操作系统的Socket的缓冲区里面去。这个传输，还是由CPU搬运的。

最后一次传输，需要再从Socket的缓冲区里面，写到网卡的缓冲区里面去。这个传输又是通过DMA搬运的。

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这个时候，你可以回过头看看这个过程。我们只是要“搬运”⼀份数据，结果却整整搬运了四次。而且这里面，从内核的读缓冲区传输到应用的内存里，

再从应用的内存里传输到Socket的缓冲区里，其实都是把同一份数据在内存里面搬运来搬运去，特别没有效率。

**4、我们就需要尽可能地减少数据搬运的需求**

像Kafka这样的应用场景，其实一部分最终利用到的硬件资源，其实又都是在干这个搬运数据的事儿。所以，我们就需要尽可能地减少数据搬运的需求。

事实上，Kafka做的事情就是，把这个数据搬运的次数，从上面的四次，变成了两次，并且只有DMA来进行数据搬运，而不需要CPU。

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Kafka的代码调用了Java NIO库，具体是FileChannel里面的transferTo方法。我们的数据并没有读到中间的应用内存里面，而是直接通过Channel，写入到对应的网络设备里。

并且，对于Socket的操作，也不是写入到Socket的Buffer里面，而是直接根据描述符（Descriptor）写到到网卡的缓冲区里面。于是，在这个过程之中，我们只进行了两次数据传输。

**5、同一份数据传输的次数从四次变成了两次**

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第一次，是通过DMA，从硬盘直接读到操作系统内核的读缓冲区里面。第二次，则是根据Socket的描述符信息，直接从读缓冲区里面，写入到网卡的缓冲区里面。

这样，我们同一份数据传输的次数从四次变成了两次，并且没有通过CPU来进行数据搬运，所有的数据都是通过DMA来进行传输的。

**6、什么是零拷贝？**

在这个方法里面，我们没有在内存层面去“复制（Copy）”数据，所以这个方法，也被称之为**零拷贝（Zero-Copy）**。IBM Developer Works里面有一篇文章，专们写过程序来测试过在同样的硬件下，使用零拷贝能够带来的性能提升。我在这里放上这篇文章链接。在这篇文章最后，你可以看到，无论传输数据量的大小，传输同样的数据，使用了零拷贝能够缩短65%的时间，大幅度提升了机器传输数据的吞吐量。想要深入了解零拷贝，建议你可以仔细读读读这篇文章。

**DMA总结**

讲到这里，相信你对DMA的原理、作用和效果都有所理解了。那么，我们⼀起来回顾总结一下。、

如果我们始终让CPU来进行各种数据传输工作，会特别浪费。一方面，我们的数据传输工作用不到多少CPU核新的“计算”功能。另一方面，CPU的运转速度也比I/O操作要快很多。

所以，**我们希望能够给CPU“减负”。**

于是，工程师们就在主板上放上了DMAC这样一个协处理器芯片。通过这个芯片，CPU只需要告诉DMAC，我们要传输什么数据，从哪里来，到哪里去，就可以放心离开了。

后续的实际数据传输工作，都会有DMAC来完成。随着现代计算机各种外设硬件越来越多，光一个通用的DMAC芯片不够了，我们在各个外设上都加上了DMAC芯片，

使得CPU很少再需要关注数据传输的工作了。

在我们实际的系统开发过程中，利用好DMA的数据传输机制，也可以大幅提升I/O的吞吐率。最典型的例子就是Kafka。

传统地从硬盘读取数据，然后再通过网卡上向外发送，我们需要进行四次数据传输，其中有两次是发生在内存里的缓冲区和对应的硬件设备之间，我们没法节省掉。

但是还有两次，完全是通过CPU在内存里面进行数据复制。

在Kafka里，通过Java的NIO里面FileChannel的transferTo方法调用，我们可以不用把数据复制到我们应用程序的内存里面。通过DMA的方式，

我们可以把数据从内存缓冲区直接写到网卡的缓冲区里面。在使用了这样的零拷贝的方法之后呢，我们传输同样数据的时间，可以缩减为原来的1/3，相当于提升了3倍的吞吐率。

这也是为什么，Kafka是目前实时数据传输管道的标准解决方案

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