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作者：Spongecaptain

來源：github.com/Spongecaptain/SimpleClearFileIO/blob/main/2.%20DMA%20與零拷貝技術(shù).md

注意事項(xiàng)：除了 Direct I/O，與磁盤相關(guān)的文件讀寫操作都有使用到 page cache 技術(shù)。

數(shù)據(jù)的四次拷貝與四次上下文切換

很多應(yīng)用程序在面臨客戶端請(qǐng)求時(shí)，可以等價(jià)為進(jìn)行如下的系統(tǒng)調(diào)用：

File.read(file, buf, len);
Socket.send(socket, buf, len);

例如消息中間件 Kafka 就是這個(gè)應(yīng)用場景，從磁盤中讀取一批消息后原封不動(dòng)地寫入網(wǎng)卡（NIC，Network interface controller）進(jìn)行發(fā)送。

在沒有任何優(yōu)化技術(shù)使用的背景下，操作系統(tǒng)為此會(huì)進(jìn)行 4 次數(shù)據(jù)拷貝，以及 4 次上下文切換，如下圖所示：

如果沒有優(yōu)化，讀取磁盤數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)卡傳輸?shù)膱鼍靶阅鼙容^差：

4 次 copy：

CPU 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從磁盤搬運(yùn)到內(nèi)核空間的 Page Cache 中；
CPU 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間的 Socket 緩沖區(qū)搬運(yùn)到的網(wǎng)絡(luò)中；
CPU 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間的 Page Cache 搬運(yùn)到用戶空間的緩沖區(qū)；
CPU 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從用戶空間的緩沖區(qū)搬運(yùn)到內(nèi)核空間的 Socket 緩沖區(qū)中。

4 次上下文切換：

read 系統(tǒng)調(diào)用時(shí)：用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)；
read 系統(tǒng)調(diào)用完畢：內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)；
write 系統(tǒng)調(diào)用時(shí)：用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)；
write 系統(tǒng)調(diào)用完畢：內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)。

我們不免發(fā)出抱怨：

CPU 全程負(fù)責(zé)內(nèi)存內(nèi)的數(shù)據(jù)拷貝還可以接受，因?yàn)樾蔬€算可以接受，但是如果要全程負(fù)責(zé)內(nèi)存與磁盤、網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)拷貝，這將難以接受，因?yàn)榇疟P、網(wǎng)卡的速度遠(yuǎn)小于內(nèi)存，內(nèi)存又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 CPU；
4 次 copy 太多了，4 次上下文切換也太頻繁了。

DMA 參與下的數(shù)據(jù)四次拷貝

DMA 技術(shù)很容易理解，本質(zhì)上，DMA 技術(shù)就是我們?cè)谥靼迳戏乓粔K獨(dú)立的芯片。在進(jìn)行內(nèi)存和 I/O 設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，我們不再通過 CPU 來控制數(shù)據(jù)傳輸，而直接通過 DMA 控制器（DMA Controller，簡稱 DMAC）。這塊芯片，我們可以認(rèn)為它其實(shí)就是一個(gè)協(xié)處理器（Co-Processor）。

DMAC 最有價(jià)值的地方體現(xiàn)在，當(dāng)我們要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特別大、速度特別快，或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特別小、速度特別慢的時(shí)候。

比如說，我們用千兆網(wǎng)卡或者硬盤傳輸大量數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果都用 CPU 來搬運(yùn)的話，肯定忙不過來，所以可以選擇 DMAC。而當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸很慢的時(shí)候，DMAC 可以等數(shù)據(jù)到齊了，再發(fā)送信號(hào)，給到 CPU 去處理，而不是讓 CPU 在那里忙等待。

注意，這里面的“協(xié)”字。DMAC 是在“協(xié)助”CPU，完成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。在 DMAC 控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，我們還是需要 CPU 的進(jìn)行控制，但是具體數(shù)據(jù)的拷貝不再由 CPU 來完成。

原本，計(jì)算機(jī)所有組件之間的數(shù)據(jù)拷貝（流動(dòng)）必須經(jīng)過 CPU，如下圖所示：

現(xiàn)在，DMA 代替了 CPU 負(fù)責(zé)內(nèi)存與磁盤以及內(nèi)存與網(wǎng)卡之間的數(shù)據(jù)搬運(yùn)，CPU 作為 DMA 的控制者，如下圖所示：

但是 DMA 有其局限性，DMA 僅僅能用于設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，但是設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)拷貝還需要 CPU 進(jìn)行，例如 CPU 需要負(fù)責(zé)內(nèi)核空間數(shù)據(jù)與用戶空間數(shù)據(jù)之間的拷貝（內(nèi)存內(nèi)部的拷貝），如下圖所示：

上圖中的 read buffer 也就是 page cache，socket buffer 也就是 Socket 緩沖區(qū)。

零拷貝技術(shù)

什么是零拷貝技術(shù)？

零拷貝技術(shù)是一個(gè)思想，指的是指計(jì)算機(jī)執(zhí)行操作時(shí)，CPU 不需要先將數(shù)據(jù)從某處內(nèi)存復(fù)制到另一個(gè)特定區(qū)域。

可見，零拷貝的特點(diǎn)是 CPU 不全程負(fù)責(zé)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入其他組件，CPU 僅僅起到管理的作用。但注意，零拷貝不是不進(jìn)行拷貝，而是 CPU 不再全程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)拷貝時(shí)的搬運(yùn)工作。如果數(shù)據(jù)本身不在內(nèi)存中，那么必須先通過某種方式拷貝到內(nèi)存中（這個(gè)過程 CPU 可以不參與），因?yàn)閿?shù)據(jù)只有在內(nèi)存中，才能被轉(zhuǎn)移，才能被 CPU 直接讀取計(jì)算。

零拷貝技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方式有很多，例如：

sendfile
mmap
splice
直接 Direct I/O

不同的零拷貝技術(shù)適用于不同的應(yīng)用場景，下面依次進(jìn)行 sendfile、mmap、Direct I/O 的分析。

不過出于總結(jié)性的目的，我們?cè)谶@里先對(duì)下面的技術(shù)做一個(gè)前瞻性的總結(jié)。

DMA 技術(shù)回顧：DMA 負(fù)責(zé)內(nèi)存與其他組件之間的數(shù)據(jù)拷貝，CPU 僅需負(fù)責(zé)管理，而無需負(fù)責(zé)全程的數(shù)據(jù)拷貝；
使用 page cache 的 zero copy：

sendfile：一次代替 read/write 系統(tǒng)調(diào)用，通過使用 DMA 技術(shù)以及傳遞文件描述符，實(shí)現(xiàn)了 zero copy
mmap：僅代替 read 系統(tǒng)調(diào)用，將內(nèi)核空間地址映射為用戶空間地址，write 操作直接作用于內(nèi)核空間。通過 DMA 技術(shù)以及地址映射技術(shù)，用戶空間與內(nèi)核空間無須數(shù)據(jù)拷貝，實(shí)現(xiàn)了 zero copy

不使用 page cache 的 Direct I/O：讀寫操作直接在磁盤上進(jìn)行，不使用 page cache 機(jī)制，通常結(jié)合用戶空間的用戶緩存使用。通過 DMA 技術(shù)直接與磁盤/網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了 zero copy

sendfile

snedfile 的應(yīng)用場景是：用戶從磁盤讀取一些文件數(shù)據(jù)后不需要經(jīng)過任何計(jì)算與處理就通過網(wǎng)絡(luò)傳輸出去。此場景的典型應(yīng)用是消息隊(duì)列。

在傳統(tǒng) I/O 下，正如第一節(jié)所示，上述應(yīng)用場景的一次數(shù)據(jù)傳輸需要四次 CPU 全權(quán)負(fù)責(zé)的拷貝與四次上下文切換，正如本文第一節(jié)所述。另外，搜索公眾號(hào)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)師技術(shù)后臺(tái)回復(fù)“面試”，獲取一份驚喜禮包。

sendfile 主要使用到了兩個(gè)技術(shù)：

DMA 技術(shù)；
傳遞文件描述符代替數(shù)據(jù)拷貝。

下面依次講解這兩個(gè)技術(shù)的作用。

利用 DMA 技術(shù)

sendfile 依賴于 DMA 技術(shù)，將四次 CPU 全程負(fù)責(zé)的拷貝與四次上下文切換減少到兩次，如下圖所示：

利用 DMA 技術(shù)減少 2 次 CPU 全程參與的拷貝

DMA 負(fù)責(zé)磁盤到內(nèi)核空間中的 Page cache（read buffer）的數(shù)據(jù)拷貝以及從內(nèi)核空間中的 socket buffer 到網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)拷貝。

傳遞文件描述符代替數(shù)據(jù)拷貝

傳遞文件描述可以代替數(shù)據(jù)拷貝，這是由于兩個(gè)原因：

page cache 以及 socket buffer 都在內(nèi)核空間中；
數(shù)據(jù)傳輸過程前后沒有任何寫操作。

利用傳遞文件描述符代替內(nèi)核中的數(shù)據(jù)拷貝

注意事項(xiàng)：只有網(wǎng)卡支持 SG-DMA（The Scatter-Gather Direct Memory Access）技術(shù)才可以通過傳遞文件描述符的方式避免內(nèi)核空間內(nèi)的一次 CPU 拷貝。這意味著此優(yōu)化取決于 Linux 系統(tǒng)的物理網(wǎng)卡是否支持（Linux 在內(nèi)核 2.4 版本里引入了 DMA 的 scatter/gather -- 分散/收集功能，只要確保 Linux 版本高于 2.4 即可）。

一次系統(tǒng)調(diào)用代替兩次系統(tǒng)調(diào)用

由于 sendfile 僅僅對(duì)應(yīng)一次系統(tǒng)調(diào)用，而傳統(tǒng)文件操作則需要使用 read 以及 write 兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。

正因?yàn)槿绱耍瑂endfile 能夠?qū)⒂脩魬B(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的上下文切換從 4 次講到 2 次。

sendfile 系統(tǒng)調(diào)用僅僅需要兩次上下文切換

另一方面，我們需要注意 sendfile 系統(tǒng)調(diào)用的局限性。如果應(yīng)用程序需要對(duì)從磁盤讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫操作，例如解密或加密，那么 sendfile 系統(tǒng)調(diào)用就完全沒法用。這是因?yàn)橛脩艟€程根本就不能夠通過 sendfile 系統(tǒng)調(diào)用得到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

mmap

mmap 技術(shù)在這篇文章[1]中單獨(dú)展開，請(qǐng)移步閱讀。

Direct I/O

Direct I/O 即直接 I/O。其名字中的“直接”二字用于區(qū)分使用 page cache 機(jī)制的緩存 I/O。

緩存文件 I/O：用戶空間要讀寫一個(gè)文件并不直接與磁盤交互，而是中間夾了一層緩存，即 page cache；
直接文件 I/O：用戶空間讀取的文件直接與磁盤交互，沒有中間 page cache 層。

“直接”在這里還有另一層語義：其他所有技術(shù)中，數(shù)據(jù)至少需要在內(nèi)核空間存儲(chǔ)一份，但是在 Direct I/O 技術(shù)中，數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在用戶空間中，繞過了內(nèi)核。

Direct I/O 模式如下圖所示：

Direct I/O 示意圖

此時(shí)用戶空間直接通過 DMA 的方式與磁盤以及網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝。

Direct I/O 的讀寫非常有特點(diǎn)：

Write 操作：由于其不使用 page cache，所以其進(jìn)行寫文件，如果返回成功，數(shù)據(jù)就真的落盤了（不考慮磁盤自帶的緩存）；
Read 操作：由于其不使用 page cache，每次讀操作是真的從磁盤中讀取，不會(huì)從文件系統(tǒng)的緩存中讀取。

事實(shí)上，即使 Direct I/O 還是可能需要使用操作系統(tǒng)的 fsync 系統(tǒng)調(diào)用。為什么？

這是因?yàn)殡m然文件的數(shù)據(jù)本身沒有使用任何緩存，但是文件的元數(shù)據(jù)仍然需要緩存，包括 VFS 中的 inode cache 和 dentry cache 等。

在部分操作系統(tǒng)中，在 Direct I/O 模式下進(jìn)行 write 系統(tǒng)調(diào)用能夠確保文件數(shù)據(jù)落盤，但是文件元數(shù)據(jù)不一定落盤。如果在此類操作系統(tǒng)上，那么還需要執(zhí)行一次 fsync 系統(tǒng)調(diào)用確保文件元數(shù)據(jù)也落盤。否則，可能會(huì)導(dǎo)致文件異常、元數(shù)據(jù)確實(shí)等情況。MySQL 的 O_DIRECT 與 O_DIRECT_NO_FSYNC 配置是一個(gè)具體案例。

Direct I/O 的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

Linux 中的直接 I/O 技術(shù)省略掉緩存 I/O 技術(shù)中操作系統(tǒng)內(nèi)核緩沖區(qū)的使用，數(shù)據(jù)直接在應(yīng)用程序地址空間和磁盤之間進(jìn)行傳輸，從而使得自緩存應(yīng)用程序可以省略掉復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)別的緩存結(jié)構(gòu)，而執(zhí)行程序自己定義的數(shù)據(jù)讀寫管理，從而降低系統(tǒng)級(jí)別的管理對(duì)應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)的影響。
與其他零拷貝技術(shù)一樣，避免了內(nèi)核空間到用戶空間的數(shù)據(jù)拷貝，如果要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大，使用直接 I/O 的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不需要操作系統(tǒng)內(nèi)核地址空間拷貝數(shù)據(jù)操作的參與，這將會(huì)大大提高性能。

缺點(diǎn)：

由于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過 DMA 完成的，因此用戶空間的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)存頁必須進(jìn)行 page pinning（頁鎖定），這是為了防止其物理頁框地址被交換到磁盤或者被移動(dòng)到新的地址而導(dǎo)致 DMA 去拷貝數(shù)據(jù)的時(shí)候在指定的地址找不到內(nèi)存頁從而引發(fā)缺頁錯(cuò)誤，而頁鎖定的開銷并不比 CPU 拷貝小，所以為了避免頻繁的頁鎖定系統(tǒng)調(diào)用，應(yīng)用程序必須分配和注冊(cè)一個(gè)持久的內(nèi)存池，用于數(shù)據(jù)緩沖。
如果訪問的數(shù)據(jù)不在應(yīng)用程序緩存中，那么每次數(shù)據(jù)都會(huì)直接從磁盤進(jìn)行加載，這種直接加載會(huì)非常緩慢。
在應(yīng)用層引入直接 I/O 需要應(yīng)用層自己管理，這帶來了額外的系統(tǒng)復(fù)雜性。

誰會(huì)使用 Direct I/O？

IBM的一篇文章[2]指出，自緩存應(yīng)用程序（ self-caching applications）可以選擇使用 Direct I/O。

自緩存應(yīng)用程序

對(duì)于某些應(yīng)用程序來說，它會(huì)有它自己的數(shù)據(jù)緩存機(jī)制，比如，它會(huì)將數(shù)據(jù)緩存在應(yīng)用程序地址空間，這類應(yīng)用程序完全不需要使用操作系統(tǒng)內(nèi)核中的高速緩沖存儲(chǔ)器，這類應(yīng)用程序就被稱作是自緩存應(yīng)用程序（ self-caching applications ）。

例如，應(yīng)用內(nèi)部維護(hù)一個(gè)緩存空間，當(dāng)有讀操作時(shí)，首先讀取應(yīng)用層的緩存數(shù)據(jù)，如果沒有，那么就通過 Direct I/O 直接通過磁盤 I/O 來讀取數(shù)據(jù)。緩存仍然在應(yīng)用，只不過應(yīng)用覺得自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)緩存比操作系統(tǒng)的緩存更高效。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是這類應(yīng)用程序的一個(gè)代表。自緩存應(yīng)用程序傾向于使用數(shù)據(jù)的邏輯表達(dá)方式，而非物理表達(dá)方式；當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存較低的時(shí)候，自緩存應(yīng)用程序會(huì)讓這種數(shù)據(jù)的邏輯緩存被換出，而并非是磁盤上實(shí)際的數(shù)據(jù)被換出。自緩存應(yīng)用程序?qū)σ僮鞯臄?shù)據(jù)的語義了如指掌，所以它可以采用更加高效的緩存替換算法。自緩存應(yīng)用程序有可能會(huì)在多臺(tái)主機(jī)之間共享一塊內(nèi)存，那么自緩存應(yīng)用程序就需要提供一種能夠有效地將用戶地址空間的緩存數(shù)據(jù)置為無效的機(jī)制，從而確保應(yīng)用程序地址空間緩存數(shù)據(jù)的一致性。

另一方面，目前 Linux 上的異步 IO 庫，其依賴于文件使用 O_DIRECT 模式打開，它們通常一起配合使用。

如何使用 Direct I/O？

用戶應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)用戶空間內(nèi)的緩存區(qū)，讀/寫操作應(yīng)當(dāng)盡量通過此緩存區(qū)提供。如果有性能上的考慮，那么盡量避免頻繁地基于 Direct I/O 進(jìn)行讀/寫操作。

典型案例

Kakfa

Kafka 作為一個(gè)消息隊(duì)列，涉及到磁盤 I/O 主要有兩個(gè)操作：

Provider 向 Kakfa 發(fā)送消息，Kakfa 負(fù)責(zé)將消息以日志的方式持久化落盤；
Consumer 向 Kakfa 進(jìn)行拉取消息，Kafka 負(fù)責(zé)從磁盤中讀取一批日志消息，然后再通過網(wǎng)卡發(fā)送。

Kakfa 服務(wù)端接收 Provider 的消息并持久化的場景下使用 mmap 機(jī)制，能夠基于順序磁盤 I/O 提供高效的持久化能力，使用的 Java 類為 java.nio.MappedByteBuffer。

Kakfa 服務(wù)端向 Consumer 發(fā)送消息的場景下使用 sendfile 機(jī)制，這種機(jī)制主要兩個(gè)好處：

sendfile 避免了內(nèi)核空間到用戶空間的 CPU 全程負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)移動(dòng)；
sendfile 基于 Page Cache 實(shí)現(xiàn)，因此如果有多個(gè) Consumer 在同時(shí)消費(fèi)一個(gè)主題的消息，那么由于消息一直在 page cache 中進(jìn)行了緩存，因此只需一次磁盤 I/O，就可以服務(wù)于多個(gè) Consumer。

使用 mmap 來對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化，使用 sendfile 從持久化介質(zhì)中讀取數(shù)據(jù)然后對(duì)外發(fā)送是一對(duì)常用的組合。但是注意，你無法利用 sendfile 來持久化數(shù)據(jù)，利用 mmap 來實(shí)現(xiàn) CPU 全程不參與數(shù)據(jù)搬運(yùn)的數(shù)據(jù)拷貝。MySQL

MySQL 的具體實(shí)現(xiàn)比 Kakfa 復(fù)雜很多，這是因?yàn)橹С?SQL 查詢的數(shù)據(jù)庫本身比消息隊(duì)列對(duì)復(fù)雜很多。

MySQL

的零拷貝技術(shù)使用方式請(qǐng)移步我的另一篇文章[3]。

總結(jié)

DMA 技術(shù)的推出使得內(nèi)存與其他組件，例如磁盤、網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝時(shí)，CPU 僅僅需要發(fā)出控制信號(hào)，而拷貝數(shù)據(jù)的過程則由 DMA 負(fù)責(zé)完成。

Linux 的零拷貝技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)策略，但根據(jù)策略可以分為如下幾種類型：

減少甚至避免用戶空間和內(nèi)核空間之間的數(shù)據(jù)拷貝：在一些場景下，用戶進(jìn)程在數(shù)據(jù)傳輸過程中并不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和處理，那么數(shù)據(jù)在 Linux 的 Page Cache 和用戶進(jìn)程的緩沖區(qū)之間的傳輸就完全可以避免，讓數(shù)據(jù)拷貝完全在內(nèi)核里進(jìn)行，甚至可以通過更巧妙的方式避免在內(nèi)核里的數(shù)據(jù)拷貝。這一類實(shí)現(xiàn)一般是是通過增加新的系統(tǒng)調(diào)用來完成的，比如 Linux 中的 mmap()，sendfile() 以及 splice() 等。
繞過內(nèi)核的直接 I/O：允許在用戶態(tài)進(jìn)程繞過內(nèi)核直接和硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)核在傳輸過程中只負(fù)責(zé)一些管理和輔助的工作。這種方式其實(shí)和第一種有點(diǎn)類似，也是試圖避免用戶空間和內(nèi)核空間之間的數(shù)據(jù)傳輸，只是第一種方式是把數(shù)據(jù)傳輸過程放在內(nèi)核態(tài)完成，而這種方式則是直接繞過內(nèi)核和硬件通信，效果類似但原理完全不同。
內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶緩沖區(qū)之間的傳輸優(yōu)化：這種方式側(cè)重于在用戶進(jìn)程的緩沖區(qū)和操作系統(tǒng)的頁緩存之間的 CPU 拷貝的優(yōu)化。這種方法延續(xù)了以往那種傳統(tǒng)的通信方式，但更靈活。

相關(guān)鏈接：

https://spongecaptain.cool/SimpleClearFileIO/3.%20mmap.html
https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-directio/
https://spongecaptain.cool/zerocopyofmysql

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深入理解零拷貝技術(shù)

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