虾皮二面：什么是零拷贝？如何实现零拷贝？

亦凉 2023-09-28 10:17 33阅读 0赞

## 前言 ##

零拷贝是老生常谈的问题啦，大厂非常喜欢问。比如Kafka为什么快，RocketMQ为什么快等，都涉及到零拷贝知识点。最近技术讨论群几个伙伴分享了**阿里、虾皮的面试真题**，也都涉及到零拷贝。因此本文将跟大家一起来学习零拷贝原理。

1. 什么是零拷贝

2. 传统的IO执行流程

3. 零拷贝相关的知识点回顾

4. 零拷贝实现的几种方式

5. java提供的零拷贝方式

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## 1.什么是零拷贝 ##

零拷贝字面上的意思包括两个，“零”和“拷贝”：

*  “拷贝”：就是指数据从一个存储区域转移到另一个存储区域。
 *  “零” ：表示次数为0，它表示拷贝数据的次数为0。

合起来，那**零拷贝**就是不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域咯。

> **零拷贝**是指计算机执行IO操作时，CPU不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及CPU的拷贝时间。它是一种I/O操作优化技术。

## 2. 传统 IO 的执行流程 ##

做服务端开发的小伙伴，文件下载功能应该实现过不少了吧。如果你实现的是一个**web程序**，前端请求过来，服务端的任务就是：将服务端主机磁盘中的文件从已连接的socket发出去。关键实现代码如下：

while((n = read(diskfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)
        write(sockfd, buf , n);

传统的IO流程，包括read和write的过程。

*  read：把数据从磁盘读取到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区
 *  write：先把数据写入到socket缓冲区，最后写入网卡设备。

**流程图如下：**

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*  用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用，**上下文从用户态转为内核态（切换1）**
 *  DMA控制器把数据从磁盘中，读取到内核缓冲区。
 *  CPU把内核缓冲区数据，拷贝到用户应用缓冲区，**上下文从内核态转为用户态（切换2）**，read函数返回
 *  用户应用进程通过write函数，发起IO调用，**上下文从用户态转为内核态（切换3）**
 *  CPU将用户缓冲区中的数据，拷贝到socket缓冲区
 *  DMA控制器把数据从socket缓冲区，拷贝到网卡设备，**上下文从内核态切换回用户态（切换4）**，write函数返回

从流程图可以看出，**传统IO的读写流程**，包括了4次上下文切换（4次用户态和内核态的切换），4次数据拷贝（**两次CPU拷贝以及两次的DMA拷贝**)，什么是DMA拷贝呢？我们一起来回顾下，零拷贝涉及的**操作系统知识点**哈。

## 3. 零拷贝相关的知识点回顾 ##

## 3.1 内核空间和用户空间 ##

我们电脑上跑着的应用程序，其实是需要经过**操作系统**，才能做一些特殊操作，如磁盘文件读写、内存的读写等等。因为这些都是比较危险的操作，**不可以由应用程序乱来**，只能交给底层操作系统来。

因此，操作系统为每个进程都分配了内存空间，一部分是用户空间，一部分是内核空间。**内核空间是操作系统内核访问的区域，是受保护的内存空间，而用户空间是用户应用程序访问的内存区域。** 以32位操作系统为例，它会为每一个进程都分配了**4G**(2的32次方)的内存空间。

*  内核空间：主要提供进程调度、内存分配、连接硬件资源等功能
 *  用户空间：提供给各个程序进程的空间，它不具有访问内核空间资源的权限，如果应用程序需要使用到内核空间的资源，则需要通过系统调用来完成。进程从用户空间切换到内核空间，完成相关操作后，再从内核空间切换回用户空间。

## 3.2 什么是用户态、内核态 ##

*  如果进程运行于内核空间，被称为进程的内核态
 *  如果进程运行于用户空间，被称为进程的用户态。

## 3.3 什么是上下文切换 ##

*  什么是CPU上下文？

> CPU 寄存器，是CPU内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此叫做CPU上下文。

*  什么是**CPU上下文切换**？

> 它是指，先把前一个任务的CPU上下文（也就是CPU寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

一般我们说的**上下文切换**，就是指内核（操作系统的核心）在CPU上对进程或者线程进行切换。进程从用户态到内核态的转变，需要通过**系统调用**来完成。系统调用的过程，会发生**CPU上下文的切换**。

> CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。

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## 3.4 虚拟内存 ##

现代操作系统使用虚拟内存，即虚拟地址取代物理地址，使用虚拟内存可以有2个好处：

*  虚拟内存空间可以远远大于物理内存空间
 *  多个虚拟内存可以指向同一个物理地址

正是**多个虚拟内存可以指向同一个物理地址**，可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样的话，就可以减少IO的数据拷贝次数啦，示意图如下

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## 3.5 DMA技术 ##

DMA，英文全称是**Direct Memory Access**，即直接内存访问。**DMA**本质上是一块主板上独立的芯片，允许外设设备和内存存储器之间直接进行IO数据传输，其过程**不需要CPU的参与**。

我们一起来看下IO流程，DMA帮忙做了什么事情.

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*  用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用，进入阻塞状态，等待数据返回。
 *  CPU收到指令后，对DMA控制器发起指令调度。
 *  DMA收到IO请求后，将请求发送给磁盘；
 *  磁盘将数据放入磁盘控制缓冲区，并通知DMA
 *  DMA将数据从磁盘控制器缓冲区拷贝到内核缓冲区。
 *  DMA向CPU发出数据读完的信号，把工作交换给CPU，由CPU负责将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。
 *  用户应用进程由内核态切换回用户态，解除阻塞状态

可以发现，DMA做的事情很清晰啦，它主要就是**帮忙CPU转发一下IO请求，以及拷贝数据**。为什么需要它的？

> 主要就是效率，它帮忙CPU做事情，这时候，CPU就可以闲下来去做别的事情，提高了CPU的利用效率。大白话解释就是，CPU老哥太忙太累啦，所以他找了个小弟（名叫DMA） ，替他完成一部分的拷贝工作，这样CPU老哥就能着手去做其他事情。

## 4. 零拷贝实现的几种方式 ##

零拷贝并不是没有拷贝数据，而是减少用户态/内核态的切换次数以及CPU拷贝的次数。零拷贝实现有多种方式，分别是

*  mmap+write
 *  sendfile
 *  带有DMA收集拷贝功能的sendfile

## 4.1 mmap+write实现的零拷贝 ##

mmap 的函数原型如下：

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

*  addr：指定映射的虚拟内存地址
 *  length：映射的长度
 *  prot：映射内存的保护模式
 *  flags：指定映射的类型
 *  fd:进行映射的文件句柄
 *  offset:文件偏移量

前面一小节，零拷贝相关的知识点回顾，我们介绍了**虚拟内存**，可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，从而减少数据拷贝次数！mmap就是用了虚拟内存这个特点，它将内核中的读缓冲区与用户空间的缓冲区进行映射，所有的IO都在内核中完成。

mmap+write实现的零拷贝流程如下：

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*  用户进程通过mmap方法向操作系统内核发起IO调用，**上下文从用户态切换为内核态**。
 *  CPU利用DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
 *  **上下文从内核态切换回用户态**，mmap方法返回。
 *  用户进程通过write方法向操作系统内核发起IO调用，**上下文从用户态切换为内核态**。
 *  CPU将内核缓冲区的数据拷贝到的socket缓冲区。
 *  CPU利用DMA控制器，把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，**上下文从内核态切换回用户态**，write调用返回。

可以发现，mmap+write实现的零拷贝，I/O发生了**4**次用户空间与内核空间的上下文切换，以及3次数据拷贝。其中3次数据拷贝中，包括了**2次DMA拷贝和1次CPU拷贝**。

mmap是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射，内核缓冲区和应用缓冲区共享，所以节省了一次CPU拷贝‘’并且用户进程内存是**虚拟的**，只是**映射**到内核的读缓冲区，可以节省一半的内存空间。

## 4.2 sendfile实现的零拷贝 ##

sendfile是Linux2.1内核版本后引入的一个系统调用函数，API如下：

ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

*  out\_fd:为待写入内容的文件描述符，一个socket描述符。，
 *  in\_fd:为待读出内容的文件描述符，必须是真实的文件，不能是socket和管道。
 *  offset：指定从读入文件的哪个位置开始读，如果为NULL，表示文件的默认起始位置。
 *  count：指定在fdout和fdin之间传输的字节数。

sendfile表示在两个文件描述符之间传输数据，它是在**操作系统内核**中操作的，**避免了数据从内核缓冲区和用户缓冲区之间的拷贝操作**，因此可以使用它来实现零拷贝。

sendfile实现的零拷贝流程如下：

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sendfile实现的零拷贝

1.  用户进程发起sendfile系统调用，**上下文（切换1）从用户态转向内核态**
2.  DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
3.  CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
4.  DMA控制器，异步把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，
5.  **上下文（切换2）从内核态切换回用户态**，sendfile调用返回。

可以发现，sendfile实现的零拷贝，I/O发生了**2**次用户空间与内核空间的上下文切换，以及3次数据拷贝。其中3次数据拷贝中，包括了**2次DMA拷贝和1次CPU拷贝**。那能不能把CPU拷贝的次数减少到0次呢？有的，即带有DMA收集拷贝功能的sendfile！

## 4.3 sendfile+DMA scatter/gather实现的零拷贝 ##

linux 2.4版本之后，对sendfile做了优化升级，引入SG-DMA技术，其实就是对DMA拷贝加入了scatter/gather操作，它可以直接从内核空间缓冲区中将数据读取到网卡。使用这个特点搞零拷贝，即还可以多省去**一次CPU拷贝**。

sendfile+DMA scatter/gather实现的零拷贝流程如下：

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1.  用户进程发起sendfile系统调用，**上下文（切换1）从用户态转向内核态**
2.  DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
3.  CPU把内核缓冲区中的**文件描述符信息**（包括内核缓冲区的内存地址和偏移量）发送到socket缓冲区
4.  DMA控制器根据文件描述符信息，直接把数据从内核缓冲区拷贝到网卡
5.  **上下文（切换2）从内核态切换回用户态**，sendfile调用返回。

可以发现，sendfile+DMA scatter/gather实现的零拷贝，I/O发生了**2**次用户空间与内核空间的上下文切换，以及2次数据拷贝。其中2次数据拷贝都是包**DMA拷贝**。这就是真正的 **零拷贝（Zero-copy)** 技术，全程都没有通过CPU来搬运数据，所有的数据都是通过DMA来进行传输的。

## 5. java提供的零拷贝方式 ##

*  Java NIO对mmap的支持
 *  Java NIO对sendfile的支持

## 5.1 Java NIO对mmap的支持 ##

Java NIO有一个MappedByteBuffer的类，可以用来实现内存映射。它的底层是调用了Linux内核的**mmap**的API。

**mmap的小demo**如下：

public class MmapTest {
    
        public static void main(String[] args) {
            try {
                FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./jay.txt"), StandardOpenOption.READ);
                MappedByteBuffer data = readChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, 1024 * 1024 * 40);
                FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./siting.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
                //数据传输
                writeChannel.write(data);
                readChannel.close();
                writeChannel.close();
            }catch (Exception e){
                System.out.println(e.getMessage());
            }
        }
    }

## 5.2 Java NIO对sendfile的支持 ##

FileChannel的transferTo()/transferFrom()，底层就是sendfile() 系统调用函数。Kafka 这个开源项目就用到它，平时面试的时候，回答面试官为什么这么快，就可以提到零拷贝sendfile这个点。

@Override
    public long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException {
       return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
    }

**sendfile的小demo**如下：

public class SendFileTest {
        public static void main(String[] args) {
            try {
                FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./jay.txt"), StandardOpenOption.READ);
                long len = readChannel.size();
                long position = readChannel.position();
                
                FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./siting.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
                //数据传输
                readChannel.transferTo(position, len, writeChannel);
                readChannel.close();
                writeChannel.close();
            } catch (Exception e) {
                System.out.println(e.getMessage());
            }
        }
    }

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