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Zero-Copy

原文:什么是Zero-Copy?

作者 朱小厮

概述

考虑这样一种常用的情形:你需要将静态内容(类似图片、文件)展示给用户。那么这个情形就意味着你需要先将静态内容从磁盘中拷贝出来放到一个内存buf中,然后将这个buf通过socket传输给用户,进而用户或者静态内容的展示。这看起来再正常不过了,但是实际上这是很低效的流程,我们把上面的这种情形抽象成下面的过程:

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

首先调用read将静态内容,这里假设为文件A,读取到tmp_buf, 然后调用write将tmp_buf写入到socket中,如图:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831194818.png

在这个过程中文件A的经历了4次copy的过程:

  1. 首先,调用read时,文件A拷贝到了kernel模式;
  2. 之后,CPU控制将kernel模式数据copy到user模式下;
  3. 调用write时,先将user模式下的内容copy到kernel模式下的socket的buffer中;
  4. 最后将kernel模式下的socket buffer的数据copy到网卡设备中传送;

从上面的过程可以看出,数据白白从kernel模式到user模式走了一圈,浪费了2次copy(第一次,从kernel模式拷贝到user模式;第二次从user模式再拷贝回kernel模式,即上面4次过程的第2和3步骤。)。而且上面的过程中kernel和user模式的上下文的切换也是4次。

幸运的是,你可以用一种叫做Zero-Copy的工作来去掉这些无谓的copy。应用程序用Zero-Copy来请求kernel直接把disk的data传输给socket,而不是通过应用程序传输。Zero-Copy大大提高了应用程序的性能,并且减少了kernel和user模式上下文的切换。

详述

Zero-Copy工作省去了将操作系统的read buffer拷贝到程序的buffer,以及从程序buffer拷贝到socket buffer的步骤,直接将read buffer拷贝到socket buffer. Java NIO中的FileChannal.transferTo()方法就是这样的实现,这个实现是依赖于操作系统底层的sendFile()实现的。

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public void transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target);

他底层的调用是系统调用**sendFile()**方法:

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

下图展示了在transferTo()之后的数据流向:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831200049.png

下图展示了在使用transferTo()之后的上下文切换:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831200206.png

使用了Zero-Copy工作之后,整个过程如下:

  1. transferTo()方法使得文件A的内容直接拷贝到一个read buffer(kernel buffer)中;
  2. 然后数据(kernel buffer)拷贝到socket buffer中。
  3. 最后将socket buffer中的数据拷贝到网卡设备(protocol engine)中传输; 这显然是一个伟大的进步:这里把上下文的切换次数从4次减少到2次,同时也把数据copy的次数从4次降低到了3次。

但是这就是Zero-Copy么,答案是否定的。

进阶

Linux 2.1内核开始引入了sendfile函数(上一节有提到),用于将文件通过socket传送。

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sendfile(socket, file, len);

该函数通过一次系统调用完成了文件的传送,减少了原来read/write方式的模式切换。此外更是减少了数据的copy, sendfile的详细过程如图:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831200352.png

通过sendfile传送文件只需要一次系统调用,当调用sendfile时:

  1. 首先(通过DMA)将数据从磁盘读取到kernel buffer中;
  2. 然后将kernel buffer拷贝到socket buffer中;
  3. 最后将socket buffer中的数据copy到网卡设备(protocol engine)中发送;

这个过程就是第二节(详述)中的那个步骤。

sendfile与read/write模式相比,少了一次copy。但是从上述过程中也可以发现从kernel buffer中将数据copy到socket buffer是没有必要的。

Linux2.4 内核对sendfile做了改进,如图:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831200439.png

改进后的处理过程如下:

  1. 将文件拷贝到kernel buffer中;
  2. 向socket buffer中追加当前要发生的数据在kernel buffer中的位置和偏移量;
  3. 根据socket buffer中的位置和偏移量DMA直接将kernel buffer的数据copy到网卡设备(protocol engine)中;

经过上述过程,数据只经过了2次copy就从磁盘传送出去了。这个才是真正的Zero-Copy(这里的零拷贝是针对kernel来讲的,数据在kernel模式下是Zero-Copy)。

正是Linux2.4的内核做了改进,Java中的TransferTo()实现了Zero-Copy,如下图:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831200649.png

Zero-Copy工作的使用场景有很多,比如Kafka, 又或者是Netty等,可以大大提升程序的性能。


从字面意思理解就是数据不需要来回的拷贝,大大提升了系统的性能;这个词我们也经常在java nio,netty,kafka,RocketMQ等框架中听到,经常作为其提升性能的一大亮点;下面从I/O的几个概念开始,进而在分析零拷贝。

IO概念

缓冲区

缓冲区是所有I/O的基础,I/O讲的无非就是把数据移进或移出缓冲区;进程执行I/O操作,就是向操作系统发出请求,让它要么把缓冲区的数据排干(写),要么填充缓冲区(读);下面看一个java进程发起read请求加载数据大致的流程图:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200901031033.png

进程发起read请求之后,内核接收到read请求之后,会先检查内核空间中是否已经存在进程所需要的数据,如果已经存在,则直接把数据copy给进程的缓冲区;如果没有内核随即向磁盘控制器发出命令,要求从磁盘读取数据,磁盘控制器把数据直接写入内核read缓冲区,这一步通过DMA完成;接下来就是内核将数据copy到进程的缓冲区;如果进程发起write请求,同样需要把用户缓冲区里面的数据copy到内核的socket缓冲区里面,然后再通过DMA把数据copy到网卡中,发送出去;你可能觉得这样挺浪费空间的,每次都需要把内核空间的数据拷贝到用户空间中,所以零拷贝的出现就是为了解决这种问题的;关于零拷贝提供了两种方式分别是:mmap+write方式,sendfile方式;

虚拟内存

所有现代操作系统都使用虚拟内存,使用虚拟的地址取代物理地址,这样做的好处是:1.一个以上的虚拟地址可以指向同一个物理内存地址, 2.虚拟内存空间可大于实际可用的物理地址;利用第一条特性可以把内核空间缓冲区的虚拟地址和用户空间缓冲区的虚拟地址映射到同一个物理地址,这样DMA就可以填充对内核和用户空间进程同时可见的缓冲区了,大致如下图所示:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200901031515.png

省去了内核与用户空间的往来拷贝,java也利用操作系统的此特性来提升性能,下面重点看看java对零拷贝都有哪些支持。

mmap+write方法

使用mmap+write方式代替原来的read+write方式,mmap是一种内存映射文件的方法,即将一个文件或者其它对象映射到进程的地址空间,实现文件磁盘地址和进程虚拟地址空间中一段虚拟地址的一一对映关系;这样就可以省掉原来内核read缓冲区copy数据到用户缓冲区,但是还是需要内核read缓冲区将数据copy到内核socket缓冲区,大致如下图所示:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200901031939.png

sendfile方式

sendfile系统调用在内核版本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,不仅减少了数据复制,还减少了上下文切换的次数,大致如下图所示:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200901032106.png

数据传送只发生在内核空间,所以减少了一次上下文切换;但是还是存在一次copy,能不能把这一次copy也省略掉,Linux2.4内核中做了改进,将Kernel buffer中对应的数据描述信息(内存地址,偏移量)记录到相应的socket缓冲区当中,这样连内核空间中的一次cpu copy也省掉了;

Java零拷贝

MappedByteBuffer

java nio提供的FileChannel提供了map()方法,该方法可以在一个打开的文件和MappedByteBuffer之间建立一个虚拟内存映射,MappedByteBuffer继承于ByteBuffer,类似于一个基于内存的缓冲区,只不过该对象的数据元素存储在磁盘的一个文件中;调用get()方法会从磁盘中获取数据,此数据反映该文件当前的内容,调用put()方法会更新磁盘上的文件,并且对文件做的修改对其他阅读者也是可见的;下面看一个简单的读取实例,然后再对MappedByteBuffer进行分析:

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package com.eh.eden.pattern;

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.util.Scanner;

class Demo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("/tmp/com.eh/aaa.txt");
        long len = file.length();
        byte[] ds = new byte[(int) len];
        MappedByteBuffer mappedByteBuffer =
                new FileInputStream(file)
                        .getChannel()
                        .map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, len);
        for (int offset = 0; offset < len; offset++) {
            ds[offset] = mappedByteBuffer.get();
        }
        Scanner scan = new Scanner(new ByteArrayInputStream(ds)).useDelimiter(" ");
        while (scan.hasNext()) {
            System.out.print(scan.next() + " ");
        }
    }
}

主要通过FileChannel提供的map()来实现映射,map()方法如下:

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 public abstract MappedByteBuffer map(MapMode mode,
                                         long position, long size)
        throws IOException;

分别提供了三个参数,MapMode,Position和size;分别表示:MapMode:映射的模式,可选项包括:READ_ONLY,READ_WRITE,PRIVATE;Position:从哪个位置开始映射,字节数的位置;Size:从position开始向后多少个字节;

重点看一下MapMode,前两个分别表示只读和可读可写,当然请求的映射模式受到Filechannel对象的访问权限限制,如果在一个没有读权限的文件上启用READ_ONLY,将抛出NonReadableChannelException;PRIVATE模式表示写时拷贝的映射,意味着通过put()方法所做的任何修改都会导致产生一个私有的数据拷贝并且该拷贝中的数据只有MappedByteBuffer实例可以看到;该过程不会对底层文件做任何修改,而且一旦缓冲区被施以垃圾收集动作(garbage collected),那些修改都会丢失;大致浏览一下map()方法的源码:

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    public MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size)
        throws IOException
    {
            ...省略...
            int pagePosition = (int)(position % allocationGranularity);
            long mapPosition = position - pagePosition;
            long mapSize = size + pagePosition;
            try {
                // If no exception was thrown from map0, the address is valid
                addr = map0(imode, mapPosition, mapSize);
            } catch (OutOfMemoryError x) {
                // An OutOfMemoryError may indicate that we've exhausted memory
                // so force gc and re-attempt map
                System.gc();
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException y) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                try {
                    addr = map0(imode, mapPosition, mapSize);
                } catch (OutOfMemoryError y) {
                    // After a second OOME, fail
                    throw new IOException("Map failed", y);
                }
            }

            // On Windows, and potentially other platforms, we need an open
            // file descriptor for some mapping operations.
            FileDescriptor mfd;
            try {
                mfd = nd.duplicateForMapping(fd);
            } catch (IOException ioe) {
                unmap0(addr, mapSize);
                throw ioe;
            }

            assert (IOStatus.checkAll(addr));
            assert (addr % allocationGranularity == 0);
            int isize = (int)size;
            Unmapper um = new Unmapper(addr, mapSize, isize, mfd);
            if ((!writable) || (imode == MAP_RO)) {
                return Util.newMappedByteBufferR(isize,
                                                 addr + pagePosition,
                                                 mfd,
                                                 um);
            } else {
                return Util.newMappedByteBuffer(isize,
                                                addr + pagePosition,
                                                mfd,
                                                um);
            }
     }

大致意思就是通过native方法获取内存映射的地址,如果失败,手动gc再次映射;最后通过内存映射的地址实例化出MappedByteBuffer,MappedByteBuffer本身是一个抽象类,其实这里真正实例化出来的是DirectByteBuffer;

DirectByteBuffer

DirectByteBuffer继承于MappedByteBuffer,从名字就可以猜测出开辟了一段直接的内存,并不会占用jvm的内存空间;上一节中通过Filechannel映射出的MappedByteBuffer其实际也是DirectByteBuffer,当然除了这种方式,也可以手动开辟一段空间:

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ByteBuffer directByteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(100);

如上开辟了100字节的直接内存空间;

Channel-to-Channel

经常需要从一个位置将文件传输到另外一个位置,FileChannel提供了transferTo()方法用来提高传输的效率,首先看一个简单的实例:

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package com.eh.eden.pattern;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.channels.Channels;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.WritableByteChannel;
import java.util.Arrays;

class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        String[] files = {"/tmp/com.eh/aaa.txt"};
        catFiles(files, Channels.newChannel(System.out));
    }

    private static void catFiles(String[] files, WritableByteChannel target) {
        Arrays.stream(files).forEach(f -> {
            try (
                    FileInputStream fis = new FileInputStream(f);
                    FileChannel fc = fis.getChannel()
            ) {
                fc.transferTo(0, fc.size(), target);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
}

通过FileChannel的transferTo()方法将文件数据传输到System.out通道,接口定义如下:

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    public abstract long transferTo(long position, long count,
                                    WritableByteChannel target)
        throws IOException;

几个参数也比较好理解,分别是开始传输的位置,传输的字节数,以及目标通道;transferTo()允许将一个通道交叉连接到另一个通道,而不需要一个中间缓冲区来传递数据;注:这里不需要中间缓冲区有两层意思:第一层不需要用户空间缓冲区来拷贝内核缓冲区,另外一层两个通道都有自己的内核缓冲区,两个内核缓冲区也可以做到无需拷贝数据;

Netty零拷贝

netty提供了零拷贝的buffer,在传输数据时,最终处理的数据会需要对单个传输的报文,进行组合和拆分,Nio原生的ByteBuffer无法做到,netty通过提供的Composite(组合)和Slice(拆分)两种buffer来实现零拷贝;看下面一张图会比较清晰:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200901034314.png

TCP层HTTP报文被分成了两个ChannelBuffer,这两个Buffer对我们上层的逻辑(HTTP处理)是没有意义的。但是两个ChannelBuffer被组合起来,就成为了一个有意义的HTTP报文,这个报文对应的ChannelBuffer,才是能称之为”Message”的东西,这里用到了一个词”Virtual Buffer”。可以看一下netty提供的CompositeChannelBuffer源码:

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public class CompositeChannelBuffer extends AbstractChannelBuffer {

    private final ByteOrder order;
    private ChannelBuffer[] components;
    private int[] indices;
    private int lastAccessedComponentId;
    private final boolean gathering;

    public byte getByte(int index) {
        int componentId = componentId(index);
        return components[componentId].getByte(index - indices[componentId]);
    }
    ...省略...

components用来保存的就是所有接收到的buffer,indices记录每个buffer的起始位置,lastAccessedComponentId记录上一次访问的ComponentId;CompositeChannelBuffer并不会开辟新的内存并直接复制所有ChannelBuffer内容,而是直接保存了所有ChannelBuffer的引用,并在子ChannelBuffer里进行读写,实现了零拷贝。

其他零拷贝

RocketMQ的消息采用顺序写到commitlog文件,然后利用consume queue文件作为索引;RocketMQ采用零拷贝mmap+write的方式来回应Consumer的请求;同样kafka中存在大量的网络数据持久化到磁盘和磁盘文件通过网络发送的过程,kafka使用了sendfile零拷贝方式;

总结

零拷贝如果简单用java里面对象的概念来理解的话,其实就是使用的都是对象的引用,每个引用对象的地方对其改变就都能改变此对象,永远只存在一份对象。