一文带你搞懂零拷贝

最新推荐文章于 2025-04-26 04:39:16 发布

Chen_leilei

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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Chen_leilei/article/details/145755429

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为什么要有直接内存访问技术？

在没有直接访问内存技术(DMA)之前,I/O交互是通过以下步骤进行的

CPU发出指令给磁盘控制器
磁盘控制器接收到指令开始准备数据，把数据放到磁盘控制器的内部缓冲区，然后给CPU发送一个中断信号
CPU收到中断信号，停下手头的工作，把磁盘控制器的缓冲区的数据一次一个字节的督导自己的寄存器中，再把寄存器中的数据写道内存中，这个过程cpu什么都干不了。

可以看到，整个数据的传输过程，都要需要 CPU 亲自参与搬运数据的过程，而且这个过程，CPU 是不能做其他事情的。

简单的搬运几个字符数据那没问题，但是如果我们用千兆网卡或者硬盘传输大量数据的时候，都用 CPU 来搬运的话，肯定忙不过来。

计算机科学家们发现了事情的严重性后，于是就发明了 DMA 技术，也就是直接内存访问（Direct Memory Access） 技术。

什么是 DMA 技术？简单理解就是，在进行 I/O 设备和内存的数据传输的时候，数据搬运的工作全部交给 DMA 控制器，而 CPU 不再参与任何与数据搬运相关的事情，这样 CPU 就可以去处理别的事务。

使用DMA控制器进行数据传输的过程

用户进程调用read方法，向操作系统发出I/O请求，请求读取数据到自己的内存缓冲区中，进程进入阻塞状态
操作系统收到请求把请求转发给DMA，然后cpu干别的去了
DMA进一步将I/O请求发送给磁盘
磁盘收到DMA的请求，把数据从磁盘读取到磁盘控制器的缓冲区中，当磁盘控制器的缓冲区被读满，向DMA发送终端新航，告诉自己已经满了
DMA收到磁盘的信号，将磁盘控制器缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区，此时不占用CPU
当DMA读取了足够多的数据，就会发送中断信号给CPU
CPU收到DMA信号，知道数据准备好了，于是将数据从内核拷贝到用户空间，系统调用返回

可以看到，整个数据传输的过程，CPU 不再参与数据搬运的工作，而是全程由 DMA 完成，但是 CPU 在这个过程中也是必不可少的，因为传输什么数据，从哪里传输到哪里，都需要 CPU 来告诉 DMA 控制器。

早期 DMA 只存在在主板上，如今由于 I/O 设备越来越多，数据传输的需求也不尽相同，所以每个 I/O 设备里面都有自己的 DMA 控制器

为什么说传统的文件传输很糟糕？

如果服务端要提供文件传输的功能，我们能想到的最简单的方式是：将磁盘上的文件读取出来，然后通过网络协议发送给客户端。

传统 I/O 的工作方式是，数据读取和写入是从用户空间到内核空间来回复制，而内核空间的数据是通过操作系统层面的 I/O 接口从磁盘读取或写入。

代码通常如下，一般会需要两个系统调用：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

首先，期间共发生了 4 次用户态与内核态的上下文切换，因为发生了两次系统调用，一次是 read() ，一次是 write()，每次系统调用都得先从用户态切换到内核态，等内核完成任务后，再从内核态切换回用户态。

上下文切换到成本并不小，一次切换需要耗时几十纳秒到几微秒，虽然时间看上去很短，但是在高并发的场景下，这类时间容易被累积和放大，从而影响系统的性能。

其次，还发生了 4 次数据拷贝，其中两次是 DMA 的拷贝，另外两次则是通过 CPU 拷贝的，下面说一下这个过程：

第一次拷贝，把磁盘上的数据拷贝到操作系统内核的缓冲区里，这个拷贝的过程是通过 DMA 搬运的。
第二次拷贝，把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，于是我们应用程序就可以使用这部分数据了，这个拷贝到过程是由 CPU 完成的。
第三次拷贝，把刚才拷贝到用户的缓冲区里的数据，再拷贝到内核的 socket 的缓冲区里，这个过程依然还是由 CPU 搬运的。
第四次拷贝，把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程又是由 DMA 搬运的。

我们回过头看这个文件传输的过程，我们只是搬运一份数据，结果却搬运了 4 次，过多的数据拷贝无疑会消耗 CPU 资源，大大降低了系统性能。

这种简单又传统的文件传输方式，存在冗余的上文切换和数据拷贝，在高并发系统里是非常糟糕的，多了很多不必要的开销，会严重影响系统性能。

所以，要想提高文件传输的性能，就需要减少「用户态与内核态的上下文切换」和「内存拷贝」的次数。

如何优化文件传输？

如何减少用户态与内核态的上下文切换的次数？

读取磁盘数据的时候，之所以要发生上下文切换，这是因为用户空间没有权限操作磁盘或网卡，内核的权限最高，这些操作设备的过程都需要交由操作系统内核来完成，所以一般要通过内核去完成某些任务的时候，就需要使用操作系统提供的系统调用函数。

而一次系统调用必然会发生 2 次上下文切换：首先从用户态切换到内核态，当内核执行完任务后，再切换回用户态交由进程代码执行。

所以，要想减少上下文切换到次数，就要减少系统调用的次数。

如何减少数据拷贝的次数呢？

在前面我们知道了，传统的文件传输方式会历经 4 次数据拷贝，而且这里面，「从内核的读缓冲区拷贝到用户的缓冲区里，再从用户的缓冲区里拷贝到 socket 的缓冲区里」，这个过程是没有必要的。

因为文件传输的应用场景中，在用户空间我们并不会对数据「再加工」，所以数据实际上可以不用搬运到用户空间，因此用户的缓冲区是没有必要存在的。

如何实现零拷贝？

零拷贝技术实现方案有两种

mmap+write
sendfile

mmap+write

在前面我们知道 read系统调用的过程中会把内核缓冲区的数据宝贝到用户的缓冲区内，于是为了减少这一部分的开销，我们可以用mmap()替换read()系统调用函数

buf = mmap(file, len);
write(sockfd, buf, len);

mmap()系统调用函数会直接把内核缓冲区里面的数据映射到用户空间，这样操作系统内核与用户空间就不需要进行任何的数据拷贝操作了

具体过程：

应用进程调用mmap()后，DMA会把磁盘的数据拷贝到内核的缓冲区内，接着应用进程跟操作系统内核共享这个缓冲区
用用程序再调用write()，操作系统直接将内核缓冲区的数据拷贝到socket缓冲区中，这一切都发生在内核态，由操作系统来搬运数据
最后把内核的socket缓冲区内的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程由DMA搬运的

我们可以得知，通过使用mmap()来代替read()可以减少一次数据拷贝的过程。

但这还不是最理想的零拷贝，因为仍然需要通过cpu把内核缓存数据拷贝到socket缓冲区中，而且仍然需要4次上下文切换，因为系统调用还是2次。

sendfile

在linux内核版本2.1中，提供了一个专门发送文件的系统调用函数 sendfile()

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

它的前两个参数分别是目的端和源端的文件描述符，后面两个参数是源端的偏移量和赋值数据的长度，返回值是实际赋值数据的长度。

首先，它可以替代前面的read()和write()这两个系统调用，这样就可以减少一次系统调用，也就是减少2次上下文切换的开销减少的哪两次呢？就是内核态到用户态的两次。

其次，该系统调用，可以直接把内核缓冲区的数据拷贝到socket缓冲区里，不再拷贝到用户态，这样就只有2次上下文切换和3次数据拷贝。

但这不胜整整的零拷贝计入，如果网卡支持SG-DMA（The Scatter-Gather Direct Memory Access）分散-聚集直接内存访问技术（和普通的 DMA 有所不同），我们可以进一步减少通过 CPU 把内核缓冲区里的数据拷贝到 socket 缓冲区的过程。

可以使用命令查看网卡是否支持SG-DMA特性

$ ethtool -k eth0 | grep scatter-gather
scatter-gather: on

于是，从 Linux 内核 2.4 版本开始起，对于支持网卡支持 SG-DMA 技术的情况下， sendfile() 系统调用的过程发生了点变化，具体过程如下：

通过DMA将磁盘上的数据拷贝到内核缓冲区
缓冲区描述符和数据长度传到socket缓冲区，这样网卡的SG-DMA控制器就可以直接将内核缓存中的数据拷贝到网卡的缓冲区内，此过程不需要将数据从操作系统内核缓冲区拷贝到socket缓冲区中，这样就减少了一次数据拷贝。

所以就变成了两次数据拷贝

这就是所谓的零拷贝（Zero-copy）技术，因为我们没有在内存层面去拷贝数据，也就是说全程没有通过 CPU 来搬运数据，所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的。

零拷贝技术的文件传输方式相比传统文件传输的方式，减少了 2 次上下文切换和数据拷贝次数，只需要 2 次上下文切换和数据拷贝次数，就可以完成文件的传输，而且 2 次的数据拷贝过程，都不需要通过 CPU，2 次都是由 DMA 来搬运。

所以，总体来看，零拷贝技术可以把文件传输的性能提高至少一倍以上。

使用零拷贝技术的项目

如果你追溯 Kafka 文件传输的代码，你会发现，最终它调用了 Java NIO 库里的 transferTo方法：

@Overridepublic 
long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException { 
    return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
}

如果 Linux 系统支持 sendfile() 系统调用，那么 transferTo() 实际上最后就会使用到 sendfile() 系统调用函数。

曾经有大佬专门写过程序测试过，在同样的硬件条件下，传统文件传输和零拷拷贝文件传输的性能差异，你可以看到下面这张测试数据图，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。

另外，Nginx 也支持零拷贝技术，一般默认是开启零拷贝技术，这样有利于提高文件传输的效率，是否开启零拷贝技术的配置如下：

http {
...
    sendfile on
...
}

sendfile 配置的具体意思:

设置为 on 表示，使用零拷贝技术来传输文件：sendfile ，这样只需要 2 次上下文切换，和 2 次数据拷贝。
设置为 off 表示，使用传统的文件传输技术：read + write，这时就需要 4 次上下文切换，和 4 次数据拷贝。

当然，要使用 sendfile，Linux 内核版本必须要 2.1 以上的版本。

PageCache有什么作用？

回顾前面说道文件传输过程，其中第一步都是先需要先把磁盘文件数据拷贝「内核缓冲区」里，这个「内核缓冲区」实际上是磁盘高速缓存（PageCache）。

由于零拷贝使用了 PageCache 技术，可以使得零拷贝进一步提升了性能，我们接下来看看 PageCache 是如何做到这一点的。

读写磁盘相比读写内存的速度慢太多了，所以我们应该想办法把「读写磁盘」替换成「读写内存」。于是，我们会通过 DMA 把磁盘里的数据搬运到内存里，这样就可以用读内存替换读磁盘。

但是，内存空间远比磁盘要小，内存注定只能拷贝磁盘里的一小部分数据。

那问题来了，选择哪些磁盘数据拷贝到内存呢？

我们都知道程序运行的时候，具有「局部性」，所以通常，刚被访问的数据在短时间内再次被访问的概率很高，于是我们可以用 PageCache 来缓存最近被访问的数据，当空间不足时淘汰最久未被访问的缓存。(末尾淘汰制)

所以，读磁盘数据的时候，优先在 PageCache 找，如果数据存在则可以直接返回；如果没有，则从磁盘中读取，然后缓存 PageCache 中。

还有一点，读取磁盘数据的时候，需要找到数据所在的位置，但是对于机械磁盘来说，就是通过磁头旋转到数据所在的扇区，再开始「顺序」读取数据，但是旋转磁头这个物理动作是非常耗时的，为了降低它的影响，PageCache 使用了「预读功能」。

比如，假设 read 方法每次只会读 32 KB 的字节，虽然 read 刚开始只会读 0 ～ 32 KB 的字节，但内核会把其后面的 32～64 KB 也读取到 PageCache，这样后面读取 32～64 KB 的成本就很低，如果在 32～64 KB 淘汰出 PageCache 前，进程读取到它了，收益就非常大。

所以，PageCache 的优点主要是两个：

缓存最近被访问的数据；
预读功能；

这两个做法，将大大提高读写磁盘的性能。

但是，在传输大文件（GB 级别的文件）的时候，PageCache 会不起作用，那就白白浪费 DMA 多做的一次数据拷贝，造成性能的降低，即使使用了 PageCache 的零拷贝也会损失性能

这是因为如果你有很多 GB 级别文件需要传输，每当用户访问这些大文件的时候，内核就会把它们载入 PageCache 中，于是 PageCache 空间很快被这些大文件占满。

另外，由于文件太大，可能某些部分的文件数据被再次访问的概率比较低，这样就会带来 2 个问题：

PageCache 由于长时间被大文件占据，其他「热点」的小文件可能就无法充分使用到 PageCache，于是这样磁盘读写的性能就会下降了；
PageCache 中的大文件数据，由于没有享受到缓存带来的好处，但却耗费 DMA 多拷贝到 PageCache 一次；

所以，针对大文件的传输，不应该使用 PageCache，也就是说不应该使用零拷贝技术，因为可能由于 PageCache 被大文件占据，而导致「热点」小文件无法利用到 PageCache，这样在高并发的环境下，会带来严重的性能问题。

目前流行的大文件传输用什么实现？

那针对大文件的传输，我们应该使用什么方式呢？

我们先来看看最初的例子，当调用 read 方法读取文件时，进程实际上会阻塞在 read 方法调用，因为要等待磁盘数据的返回，如下图：

当调用 read 方法时，会阻塞着，此时内核会向磁盘发起 I/O 请求，磁盘收到请求后，便会寻址，当磁盘数据准备好后，就会向内核发起 I/O 中断，告知内核磁盘数据已经准备好；
内核收到 I/O 中断后，就将数据从磁盘控制器缓冲区拷贝到 PageCache 里；
最后，内核再把 PageCache 中的数据拷贝到用户缓冲区，于是 read 调用就正常返回了。

对于阻塞的问题，可以用异步 I/O 来解决，它工作方式如下图：

它把读操作分为两部分：

前半部分，内核向磁盘发起读请求，但是可以不等待数据就位就可以返回，于是进程此时可以处理其他任务；
后半部分，当内核将磁盘中的数据拷贝到进程缓冲区后，进程将接收到内核的通知，再去处理数据；

而且，我们可以发现，异步 I/O 并没有涉及到 PageCache，所以使用异步 I/O 就意味着要绕开 PageCache。

绕开 PageCache 的 I/O 叫直接 I/O，使用 PageCache 的 I/O 则叫缓存 I/O。通常，对于磁盘，异步 I/O 只支持直接 I/O。

前面也提到，大文件的传输不应该使用 PageCache，因为可能由于 PageCache 被大文件占据，而导致「热点」小文件无法利用到 PageCache。

于是，在高并发的场景下，针对大文件的传输的方式，应该使用「异步 I/O + 直接 I/O」来替代零拷贝技术。

直接 I/O 应用场景常见的两种：

应用程序已经实现了磁盘数据的缓存，那么可以不需要 PageCache 再次缓存，减少额外的性能损耗。在 MySQL 数据库中，可以通过参数设置开启直接 I/O，默认是不开启；
传输大文件的时候，由于大文件难以命中 PageCache 缓存，而且会占满 PageCache 导致「热点」文件无法充分利用缓存，从而增大了性能开销，因此，这时应该使用直接 I/O。

另外，由于直接 I/O 绕过了 PageCache，就无法享受内核的这两点的优化：

内核的 I/O 调度算法会缓存尽可能多的 I/O 请求在 PageCache 中，最后「合并」成一个更大的 I/O 请求再发给磁盘，这样做是为了减少磁盘的寻址操作；
内核也会「预读」后续的 I/O 请求放在 PageCache 中，一样是为了减少对磁盘的操作；

于是，传输大文件的时候，使用「异步 I/O + 直接 I/O」了，就可以无阻塞地读取文件了。

所以，传输文件的时候，我们要根据文件的大小来使用不同的方式：

传输大文件的时候，使用「异步 I/O + 直接 I/O」；
传输小文件的时候，则使用「零拷贝技术」；

在 Nginx 中，我们可以用如下配置，来根据文件的大小来使用不同的方式：

location /video/ { 
    sendfile on; 
    aio on; 
    directio 1024m; 
}

当文件大小大于 directio 值后，使用「异步 I/O + 直接 I/O」，否则使用「零拷贝技术」。