微服务设计原则——高性能：零拷贝

1.零拷贝的作用

这里的拷贝指的是数据在内核缓冲区和应用程序缓冲区直接的传输，并非指进程空间中的内存拷贝（当然这方面也可以实现零拷贝，如传引用和 C++ 中 move 操作）。

现在假设我们有个服务，提供用户下载某个文件，当请求到来时，我们把服务器磁盘上的数据发送到网络中，这个流程伪代码如下：

filefd = open(...); //打开文件
sockfd = socket(...); //打开socket
buffer = new buffer(...); //创建buffer
read(filefd, buffer); //从文件内容读到buffer中
write(sockfd, buffer); //将buffer中的内容发送到网络

数据拷贝流程如下图：

上图中绿色箭头表示 DMA copy，DMA（Direct Memory Access）即直接存储器存取，是一种快速传送数据的机制，指外部设备不通过 CPU 而直接与系统内存交换数据的接口技术。红色箭头表示 CPU copy。即使在有 DMA 技术的情况下还是存在 4 次拷贝，DMA copy 和 CPU copy 各 2 次。

2.内存映射

内存映射将用户空间的一段内存区域映射到内核空间，用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间，同样，内核空间对这段区域的修改也直接反映到用户空间。

简单来说就是用户空间共享这个内核缓冲区。

使用内存映射来改写后的伪代码如下：

filefd = open(...); //打开文件
sockfd = socket(...); //打开socket
buffer = mmap(filefd); //将文件映射到进程空间
write(sockfd, buffer); //将buffer中的内容发送到网络

使用内存映射后数据拷贝流如下图所示：

从图中可以看出，采用内存映射后数据拷贝减少为 3 次，不再经过应用程序直接将内核缓冲区中的数据拷贝到 Socket 缓冲区中。

RocketMQ 为了消息存储高性能，就使用了内存映射机制，将存储文件分割成多个大小固定的文件，基于内存映射执行顺序写。

3.零拷贝

零拷贝就是一种避免 CPU 将数据从一块存储拷贝到另外一块存储，从而有效地提高数据传输效率的技术。Linux 内核 2.4 以后，支持带有 DMA 收集拷贝功能的传输，将内核页缓存中的数据直接打包发到网络上，伪代码如下：

filefd = open(...); //打开文件
sockfd = socket(...); //打开socket
sendfile(sockfd, filefd); //将文件内容发送到网络

使用零拷贝后流程如下图：

零拷贝的步骤为：

（1）DMA 将数据拷贝到 DMA 引擎的内核缓冲区中。 （2）将数据的位置和长度的信息的描述符加到套接字缓冲区。 （3）DMA 引擎直接将数据从内核缓冲区传递到协议引擎。

可以看出，零拷贝并非真正的没有拷贝，还是有 2 次内核缓冲区的 DMA 拷贝，只是消除了内核缓冲区和用户缓冲区之间的 CPU 拷贝。

Linux 中主要的零拷贝系统函数有 sendfile、splice、tee 等。零拷贝比普通传输会快很多，如 Kafka 也使用零拷贝技术。

下图是来住 IBM 官网上普通传输和零拷贝传输的性能对比，可以看出零拷贝比普通传输快了 3 倍左右。

参考文献

mmap详解