传统I/O方式
为了更好的理解零拷贝解决的问题,我们需要了解一下传统 I/O 方式存在的问题。
不过了解传统I/O前,我们了解下DMA。
在没有 DMA 技术前,I/O 的过程是这样的:
通过上图可以看到,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。
那使用 DMA 控制器进行数据传输的过程究竟是什么样的呢?下面我们来具体看看。
具体过程:
- 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;
- 操作系统收到请求后,进一步将 I/O 请求发送 DMA,然后让 CPU 执行其他任务;
- DMA 进一步将 I/O 请求发送给磁盘;
- 磁盘收到 DMA 的 I/O 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后,向 DMA 发起中断信号,告知自己缓冲区已满;
- 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中,此时不占用 CPU,CPU 可以执行其他任务;
- 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 的信号,知道数据已经准备好,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。
接下来就可以真正了解一下传统 I/O 方式存在的问题:
在 Linux 系统中,传统的访问方式是通过 write() 和 read() 两个系统调用实现的,
通过 read() 函数读取文件到到缓存区中,
然后通过 write() 方法把缓存中的数据输出到网络端口,
伪代码如下:
read(file_fd, tmp_buf, len); write(socket_fd, tmp_buf, len);
虽然就两行代码,但是这里面发生了不少的事情。
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1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2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3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4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。
看到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。
零拷贝
在 Linux 中零拷贝技术主要有 3 个实现思路:用户态直接 I/O、减少数据拷贝次数以及写时复制技术。
- 用户态直接 I/O:应用程序可以直接访问硬件存储,操作系统内核只是辅助数据传输。这种方式依旧存在用户空间和内核空间的上下文切换,硬件上的数据直接拷贝至了用户空间,不经过内核空间。因此,直接 I/O 不存在内核空间缓冲区和用户空间缓冲区之间的数据拷贝。
- 减少数据拷贝次数:在数据传输过程中,避免数据在用户空间缓冲区和系统内核空间缓冲区之间的CPU拷贝,以及数据在系统内核空间内的CPU拷贝,这也是当前主流零拷贝技术的实现思路。
- 写时复制技术:写时复制指的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,那么将其拷贝到自己的进程地址空间中,如果只是数据读取操作则不需要进行拷贝操作。
1、用户态直接I/O
用户态直接 I/O 使得应用进程或运行在用户态(user space)下的库函数直接访问硬件设备,数据直接跨过内核进行传输,内核在数据传输过程除了进行必要的虚拟存储配置工作之外,不参与任何其他工作,这种方式能够直接绕过内核,极大提高了性能。
缺点:
- 这种方法只能适用于那些不需要内核缓冲区处理的应用程序,这些应用程序通常在进程地址空间有自己的数据缓存机制,称为自缓存应用程序,如数据库管理系统就是一个代表。
- 这种方法直接操作磁盘 I/O,由于 CPU 和磁盘 I/O 之间的执行时间差距,会造成资源的浪费,解决这个问题需要和异步 I/O 结合使用。
2、mmap + write
一种零拷贝方式是使用 mmap + write 代替原来的 read + write 方式,减少了 1 次 CPU 拷贝操作。mmap 是 Linux 提供的一种内存映射文件方法,即将一个进程的地址空间中的一段虚拟地址映射到磁盘文件地址,mmap + write 的伪代码如下:
tmp_buf = mmap(file_fd, len); write(socket_fd, tmp_buf, len);
使用 mmap 的目的是将内核中读缓冲区(read buffer)的地址与用户空间的缓冲区(user buffer)进行映射,从而实现内核缓冲区与应用程序内存的共享,省去了将数据从内核读缓冲区(read buffer)拷贝到用户缓冲区(user buffer)的过程,然而内核读缓冲区(read buffer)仍需将数据到内核写缓冲区(socket buffer),大致的流程如下图所示:
基于 mmap + write 系统调用的零拷贝方式,整个拷贝过程会发生 4 次上下文切换,1 次 CPU 拷贝和 2 次 DMA 拷贝,用户程序读写数据的流程如下:
- 用户进程通过 mmap() 函数向内核 (kernel) 发起系统调用,上下文从用户态 (user space) 切换为内核态(kernel space);
- 将用户进程的内核空间的读缓冲区 (read buffer) 与用户空间的缓存区 (user buffer) 进行内存地址映射;
- CPU 利用 DMA 控制器将数据从主存或硬盘拷贝到内核空间 (kernel space) 的读缓冲区 (read buffer);
- 上下文从内核态 (kernel space) 切换回用户态 (user space),mmap 系统调用执行返回;
- 用户进程通过write() 函数向内核 (kernel) 发起系统调用,上下文从用户态 (user space) 切换为内核态(kernel space);
- CPU 将读缓冲区 (read buffer) 中的数据拷贝到的网络缓冲区 (socket buffer) ;
- CPU 利用 DMA 控制器将数据从网络缓冲区 (socket buffer) 拷贝到网卡进行数据传输;
- 上下文从内核态 (kernel space) 切换回用户态 (user space) ,write 系统调用执行返回;
缺点:
mmap 主要的用处是提高 I/O 性能,特别是针对大文件。对于小文件,内存映射文件反而会导致碎片空间的浪费,因为内存映射总是要对齐页边界,最小单位是 4 KB,一个 5 KB 的文件将会映射占用 8 KB 内存,也就会浪费 3 KB 内存。
另外 mmap 隐藏着一个陷阱,当使用 mmap 映射一个文件时,如果这个文件被另一个进程所截获,那么 write 系统调用会因为访问非法地址被 SIGBUS 信号终止,SIGBUS 默认会杀死进程并产生一个 coredump,如果服务器被这样终止那损失就可能不小。
解决这个问题通常使用文件的租借锁:首先为文件申请一个租借锁,当其他进程想要截断这个文件时,内核会发送一个实时的 RT_SIGNAL_LEASE 信号,告诉当前进程有进程在试图破坏文件,这样 write 在被 SIGBUS 杀死之前,会被中断,返回已经写入的字节数,并设置 errno 为 success。
通常的做法是在 mmap 之前加锁,操作完之后解锁。
3、sendfile
sendfile 系统调用在 Linux 内核版本 2.1 中被引入,目的是简化通过网络在两个通道之间进行的数据传输过程。sendfile 系统调用的引入,不仅减少了 CPU 拷贝的次数,还减少了上下文切换的次数,它的伪代码如下:
sendfile(socket_fd, file_fd, len);
通过 sendfile 系统调用,数据可以直接在内核空间内部进行 I/O 传输,从而省去了数据在用户空间和内核空间之间的来回拷贝。与 mmap 内存映射方式不同的是, sendfile 调用中 I/O 数据对用户空间是完全不可见的。也就是说,这是一次完全意义上的数据传输过程。
基于 sendfile 系统调用的零拷贝方式,整个拷贝过程会发生 2 次上下文切换,1 次 CPU 拷贝和 2 次 DMA 拷贝,用户程序读写数据的流程如下:
- 用户进程通过 sendfile() 函数向内核 (kernel) 发起系统调用,上下文从用户态 (user space) 切换为内核态(kernel space)。
- CPU 利用 DMA 控制器将数据从主存或硬盘拷贝到内核空间 (kernel space) 的读缓冲区 (read buffer)。
- CPU 将读缓冲区 (read buffer) 中的数据拷贝到的网络缓冲区 (socket buffer)。
- CPU 利用 DMA 控制器将数据从网络缓冲区 (socket buffer) 拷贝到网卡进行数据传输。
- 上下文从内核态 (kernel space) 切换回用户态 (user space),sendfile 系统调用执行返回。
相比较于 mmap 内存映射的方式,sendfile 少了 2 次上下文切换,但是仍然有 1 次 CPU 拷贝操作。sendfile 存在的问题是用户程序不能对数据进行修改,而只是单纯地完成了一次数据传输过程。
缺点:
只能适用于那些不需要用户态处理的应用程序。
4、sendfile + DMA gather copy
常规 sendfile 还有一次内核态的拷贝操作,能不能也把这次拷贝给去掉呢?
答案就是这种 DMA 辅助的 sendfile。
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,
PS:你可以在你的 Linux 系统通过下面这个命令,查看网卡是否支持 scatter-gather 特性:
$ ethtool -k eth0 | grep scatter-gather scatter-gather: on
具体过程如下:
第一步,通过 DMA 将磁盘上的数据拷贝到内核缓冲区里;
第二步,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里,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,这个过程之中,只进行了 2 次数据拷贝,如下图:
整个拷贝过程会发生 2 次上下文切换、0 次 CPU 拷贝以及 2 次 DMA 拷贝,用户程序读写数据的流程如下:
- 用户进程通过 sendfile()函数向内核 (kernel) 发起系统调用,上下文从用户态 (user space) 切换为内核态(kernel space)。
- CPU 利用 DMA 控制器将数据从主存或硬盘拷贝到内核空间 (kernel space) 的读缓冲区 (read buffer)。
- CPU 把读缓冲区 (read buffer) 的文件描述符(file descriptor)和数据长度拷贝到网络缓冲区(socket buffer)。
- 基于已拷贝的文件描述符 (file descriptor) 和数据长度,CPU 利用 DMA 控制器的 gather/scatter 操作直接批量地将数据从内核的读缓冲区 (read buffer) 拷贝到网卡进行数据传输。
- 上下文从内核态 (kernel space) 切换回用户态 (user space),sendfile 系统调用执行返回。
sendfile + DMA gather copy 拷贝方式同样存在用户程序不能对数据进行修改的问题,而且本身需要硬件的支持,它只适用于将数据从文件拷贝到 socket 套接字上的传输过程。
5、splice
sendfile 只适用于将数据从文件拷贝到 socket 套接字上,同时需要硬件的支持,这也限定了它的使用范围。Linux 在 2.6.17 版本引入 splice 系统调用,不仅不需要硬件支持,还实现了两个文件描述符之间的数据零拷贝。splice 的伪代码如下:
splice(fd_in, off_in, fd_out, off_out, len, flags);
splice 系统调用可以在内核空间的读缓冲区(read buffer)和网络缓冲区(socket buffer)之间建立管道(pipeline),从而避免了两者之间的 CPU 拷贝操作。
基于 splice 系统调用的零拷贝方式,整个拷贝过程会发生 2 次上下文切换,0 次 CPU 拷贝以及 2 次 DMA 拷贝,用户程序读写数据的流程如下:
- 用户进程通过 splice() 函数向内核(kernel)发起系统调用,上下文从用户态 (user space) 切换为内核态(kernel space);
- CPU 利用 DMA 控制器将数据从主存或硬盘拷贝到内核空间 (kernel space) 的读缓冲区 (read buffer);
- CPU 在内核空间的读缓冲区 (read buffer) 和网络缓冲区(socket buffer)之间建立管道 (pipeline);
- CPU 利用 DMA 控制器将数据从网络缓冲区 (socket buffer) 拷贝到网卡进行数据传输;
- 上下文从内核态 (kernel space) 切换回用户态 (user space),splice 系统调用执行返回。
splice 拷贝方式也同样存在用户程序不能对数据进行修改的问题。除此之外,它使用了 Linux 的管道缓冲机制,可以用于任意两个文件描述符中传输数据,但是它的两个文件描述符参数中有一个必须是管道设备。
6、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,写时复制的引入就是 Linux 用来保护数据的。
写时复制指的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。
缺点:
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。
7、缓冲区共享
缓冲区共享方式完全改写了传统的 I/O 操作,传统的 Linux I/O 接口支持数据在应用程序地址空间和操作系统内核之间交换,这种交换操作导致所有的数据都需要进行拷贝。
如果采用 fbufs 这种方法,需要交换的是包含数据的缓冲区,这样就消除了多余的拷贝操作。应用程序将 fbuf 传递给操作系统内核,这样就能减少传统的 write 系统调用所产生的数据拷贝开销。
同样的应用程序通过 fbuf 来接收数据,这样也可以减少传统 read 系统调用所产生的数据拷贝开销。
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用户空间 (user space) 和内核态 (kernel space),内核和用户共享这个缓冲区池,这样就避免了一系列的拷贝操作。
缺点:
缓冲区共享的难度在于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,而且如何改写 API 目前还处于试验阶段并不成熟。
Linux零拷贝对比
无论是传统 I/O 拷贝方式还是引入零拷贝的方式,2 次 DMA Copy 是都少不了的,因为两次 DMA 都是依赖硬件完成的。下面从 CPU 拷贝次数、DMA 拷贝次数以及系统调用几个方面总结一下上述几种 I/O 拷贝方式的差别。
拷贝方式 | CPU拷贝 | DMA拷贝 | 系统调用 | 上下文切换 |
传统方式(read + write) | 2 | 2 | read / write | 4 |
内存映射(mmap + write) | 1 | 2 | mmap / write | 4 |
sendfile | 1 | 2 | sendfile | 2 |
sendfile + DMA gather copy | 0 | 2 | sendfile | 2 |
splice | 0 | 2 | splice | 2 |
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。