从kafka说起零拷贝机制的运用

最新推荐文章于 2025-03-15 14:50:06 发布
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Kindle_code/article/details/107966344
本文深入探讨了Kafka的零拷贝技术，详细解释了该技术如何通过减少数据复制次数来提升效率，特别是在多消费者场景下。通过对比传统文件拷贝机制，展示了零拷贝如何利用DMA技术减少CPU工作负载，实现数据从磁盘直接到网络的高效传输。

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参考文章: 图解Kafka的零拷贝技术

kafka高吞吐量的原因

1、磁盘顺序写: 磁盘的顺序IO速度远大于固态硬盘随机写操作
2、消息压缩: 数据压缩减少网络传输
3、分批发送: kafka允许批量发送消息
4、分区: 多分区，并行消费
5、零拷贝机制

今天主要讲讲零拷贝机制与在kafka中的应用
传统的文件拷贝机制

在这里插入图片描述
传统的文件拷贝，从磁盘上再到网卡要经过四步
1、操作系统从磁盘将数据读取到内核空间的页缓存
2、应用程序将数据从内核空间读入用户空间缓存区
3、应用程序将读到的数据写回到socket缓冲区
4、操作系统将数据从socket缓冲区复制到网卡接口，进行数据发送

DMA技术(Direct Memory Access)

一种可让某些硬件子系统直接访问系统主内存，不依赖CPU的计算机系统功能。
在这里插入图片描述

  • 减少了用户态与内核态的转换，大大减少了CPU的工作
  • 数据直接复制一次就行，减少了复制的IO操作
kafka中的应用

通常情况下，kafka会有多个订阅者，生产者发布的消息会被不同消费者多次消费。零拷贝机制将磁盘文件数据复制到页缓存，然后直接发送到网络中（不同消费者可以用一个也缓存）
例如: 10个消费者，传统复制 4*10 = 40次，零拷贝机制，需要11次，一次从磁盘复制到页缓存，10次表示10个消费者各自读取一次。

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Kafka之所以那么快，其中一个很大的原因就是零拷贝（Zero-copy）技术，零拷贝不是kafka的专利，而是操作系统的升级，又比如Netty，也用到了零拷贝。
​kafka零拷贝机制​
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转载：kafka零拷贝机制 - 风清_云淡 - 博客园 kafka之所以那么快，其中一个很大的原因就是零拷贝（Zero-copy）技术，零拷贝不会kafka的专利，而是操作系统的升级，又比如Netty，也用到了零拷贝。 传统IO kafka的数据是要落入磁盘的，那么必然牵扯到磁盘的IO，传统磁盘IO又叫做缓存IO，效率是很低的，那么为什么效率低下呢？我们先来粗略讲讲操作系统的知识。 用户空间以及内核空间的概念： 我们知道现在操作系统都是采用虚拟存储器。那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存
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Kafka的零拷贝（Zero-Copy）原理是通过减少或消除数据在内核态和用户态之间的拷贝次数，从而提高数据传输的效率和性能。这一原理的实现主要依赖于操作系统提供的底层支持，特别是直接内存映射（Direct Memory Mapping）和sendfile系统调用等机制。
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零拷贝（Zero Copy）是一种计算机操作系统中的技术，用于减少数据在内存中的拷贝次数，从而提高数据传输的效率。传统的数据传输过程中，数据通常需要从磁盘读取到内核缓冲区，再从内核缓冲区拷贝到用户空间缓冲区，最后从用户空间缓冲区拷贝到网络缓冲区进行发送。这个过程中涉及多次数据拷贝，消耗了大量的 CPU 资源和内存带宽。零拷贝技术通过减少或消除这些不必要的数据拷贝，直接将数据从磁盘缓冲区传输到网络缓冲区，从而显著提高数据传输的效率。
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【Kafka】一文详解零拷贝原理
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功能不同：sendfile系统调用可以将一个文件描述符所指向的文件内容从内核空间直接拷贝到另一个文件描述符所指向的文件或者网络套接字缓冲区中，而mmap系统调用可以将文件或者设备映射到进程的虚拟地址空间中，从而使得进程可以直接访问这些映射区域。其中，addr表示映射区域的起始地址，length表示映射区域的大小，prot表示映射区域的保护方式，flags表示映射区域的标志，fd表示文件描述符，offset表示从文件中的哪个位置开始映射。在这个过程中，数据只被复制了一次，即从文件中读入到内核缓冲区中。
Kafka干货之「零拷贝」
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其实这里主要是与硬件兼容，现在多数厂商的硬件，单次扫数据的大小一般都是4K对齐的，很多硬件都提升到了8K甚至16K，稀疏索引设置为4K，能保证即便是当前的 Record Batch 只有 1 个字节，后续的内容也能缓存在Page Cache中，下次扫描的时候，可以直接从缓存中读取，而不用扫描磁盘。其实这里使用的是二分查找，当知道某个队列的起始结束offset，快速定位其中的某个offset时，二分查找是个非常不错的方案，具体实现类在scala/kafka/log/AbstractIndex.scala。
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传统的数据文件拷贝过程如下图所示，大概可以分成四个过程：磁盘----》read buffer-----》application buffer-------》socket buffer---------》网卡-------》发送给消费者。
关于Kafka中的零拷贝技术
代码写的越急，程序跑得越慢。
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Kafka通过零拷贝技术，结合操作系统的sendfile和mmap机制，最大化减少了数据传输过程中的冗余步骤。这种设计使其在消费者拉取消息时能够高效利用系统资源，显著提升吞吐量并降低延迟，成为高并发场景下消息系统的理想选择。kafka使用sendfile：返回的是成功发送了几个字节数，具体发了什么应用层不知道。rocketMQ使用mmap：因为mmap返回的是数据的内容，应用层能获取到消息内容进行一些逻辑处理。rocketmq的一些消息需要获取到消息内容，比较将失败的消息重新投递到死信队列中。
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Kafka零拷贝 在实际应用中，如果需要把磁盘中的某个文件内容，发送到远程服务器上，那么他必须要经过几个拷贝的过程。 1，从磁盘读取目标文件内容，copy到内核缓冲去; 2， cpu控制器把内核缓冲区的数据， copy到用户空间的缓冲区中； 3，再应用程序中，调用 write（）方法，把用户空间缓冲区中的数据，拷贝到内核空间的Socket Buffer中； 4，把内核模式下的Socket Buffer中的数据，复制到网卡缓冲区（NIC Buffer）, 最后， 网卡缓冲区再把数据传输到目标服务器上； 在这
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<think>好的，我现在需要回答关于Kafka的零拷贝是否经过socket缓冲区的问题。首先，我得回忆一下Kafka的零拷贝机制。零拷贝（Zero-copy）是一种优化技术，旨在减少数据在内存中的拷贝次数，从而提升性能。Kafka在处理消息时，特别是在消费者读取数据时，使用了零拷贝技术。 接下来，我需要理解零拷贝的具体实现。在传统的文件传输过程中，数据需要从磁盘读取到内核缓冲区，然后拷贝到用户空间缓冲区，再从用户空间拷贝到内核的socket缓冲区，最后通过网络发送出去。这样会有多次拷贝，增加了CPU和内存的开销。 而零拷贝技术，比如在Linux系统中，可以通过sendfile系统调用来实现。sendfile允许数据直接从内核缓冲区传输到socket缓冲区，避免了用户空间和内核空间之间的数据拷贝。这种情况下，数据在内核中直接从文件系统缓存传输到网络接口，不需要经过应用程序的内存空间，从而减少了两次上下文切换和数据拷贝的次数。 那么问题来了，零拷贝是否经过socket缓冲区呢？根据sendfile的工作原理，数据确实是需要经过socket缓冲区的，因为网络传输需要处理数据的分组和传输控制。不过，这里的socket缓冲区是内核的一部分，数据在这里被处理并发送到网络，而不再需要用户空间的参与。因此，零拷贝技术跳过了用户空间的缓冲区，但仍然需要经过内核的socket缓冲区，但这个过程是必要的，属于内核处理网络传输的一部分，无法完全避免。 总结来说，Kafka的零拷贝技术通过sendfile等方式减少了用户空间和内核空间之间的数据拷贝，但数据仍然需要经过内核的socket缓冲区进行网络传输。不过，这种拷贝是在内核内部完成的，避免了用户空间的不必要拷贝，从而提高了效率。 接下来要检查是否有遗漏点。比如，是否需要考虑DMA（直接内存访问）技术？DMA允许硬件设备直接访问内存，减少CPU的参与，但这属于更底层的机制，不影响零拷贝是否经过socket缓冲区的结论。另外，Java中FileChannel.transferTo方法底层就是使用sendfile，这也是Kafka实现零拷贝的方式之一。 最后，需要确认回答是否准确，并准备好相关问题。可能的问题包括零拷贝的实现原理、sendfile的作用、与传统传输方式的区别，以及零拷贝带来的好处等。</think><< Kafka的零拷贝（Zero-copy）技术会经过操作系统的Socket缓冲区，但这一过程是内核态的直接传输，避免了用户态和内核态之间的多次数据拷贝。以下是具体解释： ### 零拷贝流程 1. **传统数据拷贝流程**： 传统方式下，数据从磁盘到网络需要4次拷贝和4次上下文切换： - 磁盘 → 内核缓冲区（DMA拷贝） - 内核缓冲区 → 用户缓冲区（CPU拷贝） - 用户缓冲区 → Socket缓冲区（CPU拷贝） - Socket缓冲区 → 网卡（DMA拷贝） 2. **零拷贝优化**： 零拷贝通过`sendfile`系统调用（Linux）或`FileChannel.transferTo`（Java）实现，将流程简化为： - 磁盘 → 内核缓冲区（DMA拷贝） - 内核缓冲区 → Socket缓冲区（CPU拷贝） - Socket缓冲区 → 网卡（DMA拷贝） 此时**仅需1次CPU拷贝**，且数据始终在内核态流动，无需用户态参与。 ### 关键点 - **Socket缓冲区的作用**： Socket缓冲区是内核中用于管理网络传输数据的缓存区。零拷贝技术仍需通过Socket缓冲区，因为网络协议需要对数据进行分片、封装等操作，但这一过程在内核态完成，避免了用户态的开销。 - **性能提升**： 减少CPU拷贝次数和上下文切换，显著降低延迟并提高吞吐量。 ### 代码示例（Java实现零拷贝） ```java // Kafka底层使用FileChannel.transferTo()实现零拷贝 FileChannel fileChannel = new FileInputStream("data.log").getChannel(); SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("consumer", 9092)); fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel); ``` ### 总结 零拷贝绕过了用户态缓冲区，但仍需经过Socket缓冲区完成网络传输。这一设计在保证协议处理的前提下，最大化减少了数据拷贝次数。
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