什么是零拷貝？mmap與sendFile的區別是什么？

文章來自：https://blog.csdn.net/weixin_37782390/article/details/103833306

零拷貝這三個字，一直是服務器網絡編程的關鍵字，任何性能優化都離不開。在 Java 程序員的世界，常用的零拷貝有 mmap 和 sendFile。那么，他們在 OS 里，到底是怎么樣的一個的設計？本文將簡單聊聊 mmap 和 sendFile 這兩個零拷貝。

一、傳統IO的劣勢

    初學 Java 時，我們在學習 IO 和 網絡編程時，會使用以下代碼：

　　

File file = new File("index.html");
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
 
byte[] arr = new byte[(int) file.length()];
raf.read(arr);
 
Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
socket.getOutputStream().write(arr);

 

    我們會調用 read 方法讀取 index.html 的內容—— 變成字節數組，然后調用 write 方法，將 index.html 字節流寫到 socket 中，那么，我們調用這兩個方法，在 OS 底層發生了什么呢？我這里借鑒了一張其他文章的圖片，嘗試解釋這個過程。

上圖中，上半部分表示用戶態和內核態的上下文切換。下半部分表示數據復制操作。下面說說他們的步驟：

1. read 調用導致用戶態到內核態的一次變化，同時，第一次復制開始：DMA（Direct Memory Access，直接內存存取，即不使用 CPU 拷貝數據到內存，而是 DMA 引擎傳輸數據到內存，用於解放 CPU） 引擎從磁盤讀取 index.html 文件，並將數據放入到內核緩沖區。

2. 發生第二次數據拷貝，即：將內核緩沖區的數據拷貝到用戶緩沖區，同時，發生了一次用內核態到用戶態的上下文切換。

3. 發生第三次數據拷貝，我們調用 write 方法，系統將用戶緩沖區的數據拷貝到 Socket 緩沖區。此時，又發生了一次用戶態到內核態的上下文切換。

4. 第四次拷貝，數據異步的從 Socket 緩沖區，使用 DMA 引擎拷貝到網絡協議引擎。這一段，不需要進行上下文切換。

5. write 方法返回，再次從內核態切換到用戶態。

如你所見，復制拷貝操作太多了。如何優化這些流程？

二、mmap 優化

    mmap 通過內存映射，將文件映射到內核緩沖區，同時，用戶空間可以共享內核空間的數據。這樣，在進行網絡傳輸時，就可以減少內核空間到用戶空間的拷貝次數。如下圖：

     如上圖，user buffer 和 kernel buffer 共享 index.html。如果你想把硬盤的 index.html 傳輸到網絡中，再也不用拷貝到用戶空間，再從用戶空間拷貝到 Socket 緩沖區。

    現在，你只需要從內核緩沖區拷貝到 Socket 緩沖區即可，這將減少一次內存拷貝（從 4 次變成了 3 次），但不減少上下文切換次數。

三、sendFile

    那么，我們還能繼續優化嗎？ Linux 2.1 版本 提供了 sendFile 函數，其基本原理如下：數據根本不經過用戶態，直接從內核緩沖區進入到 Socket Buffer，同時，由於和用戶態完全無關，就減少了一次上下文切換。

    如上圖，我們進行 sendFile 系統調用時，數據被 DMA 引擎從文件復制到內核緩沖區，然后調用 write 方法時，從內核緩沖區進入到 Socket，這時，是沒有上下文切換的，因為都在內核空間。

    最后，數據從 Socket 緩沖區進入到協議棧。此時，數據經過了 3 次拷貝，3 次上下文切換。那么，還能不能再繼續優化呢？ 例如直接從內核緩沖區拷貝到網絡協議棧？

    實際上，Linux 在 2.4 版本中，做了一些修改，避免了從內核緩沖區拷貝到 Socket buffer 的操作，直接拷貝到協議棧，從而再一次減少了數據拷貝。具體如下圖：

    現在，index.html 要從文件進入到網絡協議棧，只需 2 次拷貝：第一次使用 DMA 引擎從文件拷貝到內核緩沖區，第二次從內核緩沖區將數據拷貝到網絡協議棧；內核緩存區只會拷貝一些 offset 和 length 信息到 SocketBuffer，基本無消耗。

    等一下，不是說零拷貝嗎？為什么還是要 2 次拷貝？

    首先我們說零拷貝，是從操作系統的角度來說的。因為內核緩沖區之間，沒有數據是重復的（只有 kernel buffer 有一份數據，sendFile 2.1 版本實際上有 2 份數據，算不上零拷貝）。例如我們剛開始的例子，內核緩存區和 Socket 緩沖區的數據就是重復的。

    而零拷貝不僅僅帶來更少的數據復制，還能帶來其他的性能優勢，例如更少的上下文切換，更少的 CPU 緩存偽共享以及無 CPU 校驗和計算。

    再稍微講講 mmap 和 sendFile 的區別。

1. mmap 適合小數據量讀寫，sendFile 適合大文件傳輸。
2. mmap 需要 4 次上下文切換，3 次數據拷貝；sendFile 需要 3 次上下文切換，最少 2 次數據拷貝。
3. sendFile 可以利用 DMA 方式，減少 CPU 拷貝，mmap 則不能（必須從內核拷貝到 Socket 緩沖區）。

在這個選擇上：rocketMQ 在消費消息時，使用了 mmap。kafka 使用了 sendFile。

四、Java中的例子

    kafka 在客戶端和 broker 進行數據傳輸時，會使用 transferTo 和 transferFrom 方法，即對應 Linux 的 sendFile。

    tomcat 內部在進行文件拷貝的時候，也會使用 transferto 方法。

tomcat 在處理一下心跳保活時，也會調用該 sendFile 方法。

    所以，如果你需要優化網絡傳輸的性能，或者文件讀寫的速度，請盡量使用零拷貝。它不僅能較少復制拷貝次數，還能較少上下文切換，緩存行污染。