大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。
Kafka除了具备消息队列MQ的特性和使用场景外,它还有一个重要用途,就是做存储层。
用kafka做存储层,为什么呢?一大堆可以做数据存储的 MySQL、MongoDB、HDFS……
因为kafka数据是持久化磁盘的,还速度快;还可靠、支持分布式……
啥!用了磁盘,还速度快!!!
没错,kafka就是速度无敌,本文将探究kafka无敌性能背后的秘密。
首先要有个概念,kafka高性能的背后,是多方面协同后、最终的结果,kafka从宏观架构、分布式partition存储、ISR数据同步、以及“无孔不入”的高效利用磁盘/操作系统特性,这些多方面的协同,是kafka成为性能之王的必然结果。
本文将从kafka零拷贝,探究其是如何“无孔不入”的高效利用磁盘/操作系统特性的。
零拷贝并不是不需要拷贝,而是减少不必要的拷贝次数。通常是说在IO读写过程中。
实际上,零拷贝是有广义和狭义之分,目前我们通常听到的零拷贝,包括上面这个定义减少不必要的拷贝次数
都是广义上的零拷贝。其实了解到这点就足够了。
我们知道,减少不必要的拷贝次数,就是为了提高效率。那零拷贝之前,是怎样的呢?
比如:读取文件,再用socket发送出去 传统方式实现: 先读取、再发送,实际经过1~4四次copy。
buffer = File.read Socket.send(buffer)
1、第一次:将磁盘文件,读取到操作系统内核缓冲区; 2、第二次:将内核缓冲区的数据,copy到application应用程序的buffer; 3、第三步:将application应用程序buffer中的数据,copy到socket网络发送缓冲区(属于操作系统内核的缓冲区); 4、第四次:将socket buffer的数据,copy到网卡,由网卡进行网络传输。
传统方式,读取磁盘文件并进行网络发送,经过的四次数据copy是非常繁琐的。实际IO读写,需要进行IO中断,需要CPU响应中断(带来上下文切换),尽管后来引入DMA来接管CPU的中断请求,但四次copy是存在“不必要的拷贝”的。
重新思考传统IO方式,会注意到实际上并不需要第二个和第三个数据副本。应用程序除了缓存数据并将其传输回套接字缓冲区之外什么都不做。相反,数据可以直接从读缓冲区传输到套接字缓冲区。
显然,第二次和第三次数据copy 其实在这种场景下没有什么帮助反而带来开销,这也正是零拷贝出现的意义。
这种场景
:是指读取磁盘文件后,不需要做其他处理,直接用网络发送出去。试想,如果读取磁盘的数据需要用程序进一步处理的话,必须要经过第二次和第三次数据copy,让应用程序在内存缓冲区处理。
kafka作为MQ也好,作为存储层也好,无非是两个重要功能,一是Producer生产的数据存到broker,二是 Consumer从broker读取数据;我们把它简化成如下两个过程: 1、网络数据持久化到磁盘 (Producer 到 Broker) 2、磁盘文件通过网络发送(Broker 到 Consumer)
下面,先给出“kafka用了磁盘,还速度快”的结论
1、顺序读写 磁盘顺序读或写的速度400M/s,能够发挥磁盘最大的速度。 随机读写,磁盘速度慢的时候十几到几百K/s。这就看出了差距。 kafka将来自Producer的数据,顺序追加在partition,partition就是一个文件,以此实现顺序写入。 Consumer从broker读取数据时,因为自带了偏移量,接着上次读取的位置继续读,以此实现顺序读。 顺序读写,是kafka利用磁盘特性的一个重要体现。
2、零拷贝 sendfile(in,out) 数据直接在内核完成输入和输出,不需要拷贝到用户空间再写出去。 kafka数据写入磁盘前,数据先写到进程的内存空间。
3、mmap文件映射 虚拟映射只支持文件; 在进程 的非堆内存开辟一块内存空间,和OS内核空间的一块内存进行映射, kafka数据写入、是写入这块内存空间,但实际这块内存和OS内核内存有映射,也就是相当于写在内核内存空间了,且这块内核空间、内核直接能够访问到,直接落入磁盘。 这里,我们需要清楚的是:内核缓冲区的数据,flush就能完成落盘。
我们来重点探究 kafka两个重要过程、以及是如何利用两个零拷贝技术sendfile和mmap的。
传统方式实现:
data = socket.read()// 读取网络数据 File file = new File() file.write(data)// 持久化到磁盘 file.flush()
先接收生产者发来的消息,再落入磁盘。 实际会经过四次copy,如下图的四个箭头。
数据落盘通常都是非实时的,kafka生产者数据持久化也是如此。Kafka的数据并不是实时的写入硬盘,它充分利用了现代操作系统分页存储来利用内存提高I/O效率。
对于kafka来说,Producer生产的数据存到broker,这个过程读取到socket buffer的网络数据,其实可以直接在OS内核缓冲区,完成落盘。并没有必要将socket buffer的网络数据,读取到应用进程缓冲区;在这里应用进程缓冲区其实就是broker,broker收到生产者的数据,就是为了持久化。
在此特殊场景
下:接收来自socket buffer的网络数据,应用进程不需要中间处理、直接进行持久化时。——可以使用mmap内存文件映射。
简称mmap,简单描述其作用就是:将磁盘文件映射到内存, 用户通过修改内存就能修改磁盘文件。 它的工作原理是直接利用操作系统的Page来实现文件到物理内存的直接映射。完成映射之后你对物理内存的操作会被同步到硬盘上(操作系统在适当的时候)。
通过mmap,进程像读写硬盘一样读写内存(当然是虚拟机内存),也不必关心内存的大小有虚拟内存为我们兜底。 使用这种方式可以获取很大的I/O提升,省去了用户空间到内核空间复制的开销。
mmap也有一个很明显的缺陷——不可靠,写到mmap中的数据并没有被真正的写到硬盘,操作系统会在程序主动调用flush的时候才把数据真正的写到硬盘。Kafka提供了一个参数——producer.type来控制是不是主动flush;如果Kafka写入到mmap之后就立即flush然后再返回Producer叫同步(sync);写入mmap之后立即返回Producer不调用flush叫异步(async)。
Java NIO,提供了一个 MappedByteBuffer 类可以用来实现内存映射。 MappedByteBuffer只能通过调用FileChannel的map()取得,再没有其他方式。 FileChannel.map()是抽象方法,具体实现是在 FileChannelImpl.c 可自行查看JDK源码,其map0()方法就是调用了Linux内核的mmap的API。
使用 MappedByteBuffer类要注意的是:mmap的文件映射,在full gc时才会进行释放。当close时,需要手动清除内存映射文件,可以反射调用sun.misc.Cleaner方法。
传统方式实现: 先读取磁盘、再用socket发送,实际也是进过四次copy。
buffer = File.read Socket.send(buffer)
而 Linux 2.4+ 内核通过 sendfile 系统调用,提供了零拷贝。磁盘数据通过 DMA 拷贝到内核态 Buffer 后,直接通过 DMA 拷贝到 NIC Buffer(socket buffer),无需 CPU 拷贝。这也是零拷贝这一说法的来源。除了减少数据拷贝外,因为整个读文件 – 网络发送由一个 sendfile 调用完成,整个过程只有两次上下文切换,因此大大提高了性能。零拷贝过程如下图所示。
相比于文章开始,对传统IO 4步拷贝的分析,sendfile将第二次、第三次拷贝,一步完成。
其实这项零拷贝技术,直接从内核空间(DMA的)到内核空间(Socket的)、然后发送网卡。 应用的场景非常多,如Tomcat、Nginx、Apache等web服务器返回静态资源等,将数据用网络发送出去,都运用了sendfile。 简单理解 sendfile(in,out)就是,磁盘文件读取到操作系统内核缓冲区后、直接扔给网卡,发送网络数据。
Java NIO对sendfile的支持就是FileChannel.transferTo()/transferFrom()。
fileChannel.transferTo( position, count, socketChannel);
把磁盘文件读取OS内核缓冲区后的fileChannel,直接转给socketChannel发送;底层就是sendfile。消费者从broker读取数据,就是由此实现。
具体来看,Kafka 的数据传输通过 TransportLayer 来完成,其子类 PlaintextTransportLayer 通过Java NIO 的 FileChannel 的 transferTo 和 transferFrom 方法实现零拷贝。
@Override
public long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException {
return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
}
注: transferTo 和 transferFrom 并不保证一定能使用零拷贝。实际上是否能使用零拷贝与操作系统相关,如果操作系统提供 sendfile 这样的零拷贝系统调用,则这两个方法会通过这样的系统调用充分利用零拷贝的优势,否则并不能通过这两个方法本身实现零拷贝。
总的来说Kafka快的原因: 1、partition顺序读写,充分利用磁盘特性,这是基础; 2、Producer生产的数据持久化到broker,采用mmap文件映射,实现顺序的快速写入; 3、Customer从broker读取数据,采用sendfile,将磁盘文件读到OS内核缓冲区后,直接转到socket buffer进行网络发送。
1、都是Linux内核提供、实现零拷贝的API; 2、sendfile 是将读到内核空间的数据,转到socket buffer,进行网络发送; 3、mmap将磁盘文件映射到内存,支持读和写,对内存的操作会反映在磁盘文件上。 RocketMQ 在消费消息时,使用了 mmap。kafka 使用了 sendFile。
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