Java零拷贝一步曲——Linux 中的零拷贝技术

引言

传统的 Linux 操作系统的标准 I/O 接口是基于数据拷贝操作的，即 I/O 操作会导致数据在操作系统内核地址空间的缓冲区和应用程序地址空间定义的缓冲区之间进行传输。这样做最大的好处是可以减少磁盘 I/O 的操作，因为如果所请求的数据已经存放在操作系统的高速缓冲存储器中，那么就不需要再进行实际的物理磁盘 I/O 操作。但是数据传输过程中的数据拷贝操作却导致了极大的 CPU 开销，限制了操作系统有效进行数据传输操作的能力。

零拷贝（ zero-copy ）这种技术可以有效地改善数据传输的性能，在内核驱动程序（比如网络堆栈或者磁盘存储驱动程序）处理 I/O 数据的时候，零拷贝技术可以在某种程度上减少甚至完全避免不必要 CPU 数据拷贝操作。现代的 CPU 和存储体系结构提供了很多特征可以有效地实现零拷贝技术，但是因为存储体系结构非常复杂，而且网络协议栈有时需要对数据进行必要的处理，所以零拷贝技术有可能会产生很多负面的影响，甚至会导致零拷贝技术自身的优点完全丧失。

为什么需要零拷贝技术

如今，很多网络服务器都是基于客户端 - 服务器这一模型的。在这种模型中，客户端向服务器端请求数据或者服务；服务器端则需要响应客户端发出的请求，并为客户端提供它所需要的数据。随着网络服务的逐渐普及，video 这类应用程序发展迅速。当今的计算机系统已经具备足够的能力去处理 video 这类应用程序对客户端所造成的重负荷，但是对于服务器端来说，它应付由 video 这类应用程序引起的网络通信量就显得捉襟见肘了。而且，客户端的数量增长迅速，那么服务器端就更容易成为性能瓶颈。而对于负荷很重的服务器来说，操作系统通常都是引起性能瓶颈的罪魁祸首。举个例子来说，当数据“写”操作或者数据“发送”操作的系统调用发出时，操作系统通常都会将数据从应用程序地址空间的缓冲区拷贝到操作系统内核的缓冲区中去。操作系统这样做的好处是接口简单，但是却在很大程度上损失了系统性能，因为这种数据拷贝操作不单需要占用 CPU 时间片，同时也需要占用额外的内存带宽。

一般来说，客户端通过网络接口卡向服务器端发送请求，操作系统将这些客户端的请求传递给服务器端应用程序，服务器端应用程序会处理这些请求，请求处理完成以后，操作系统还需要将处理得到的结果通过网络适配器传递回去。

下边这一小节会跟读者简单介绍一下传统的服务器是如何进行数据传输的，以及这种数据传输的处理过程存在哪些问题有可能会造成服务器的性能损失

Linux中传统服务器进行数据传输的流程

Linux 　中传统的 I/O 操作是一种缓冲 I/O，I/O 过程中产生的数据传输通常需要在缓冲区中进行多次的拷贝操作。一般来说，在传输数据的时候，用户应用程序需要分配一块大小合适的缓冲区用来存放需要传输的数据。应用程序从文件中读取一块数据，然后把这块数据通过网络发送到接收端去。用户应用程序只是需要调用两个系统调用 read() 和 write() 就可以完成这个数据传输操作，应用程序并不知晓在这个数据传输的过程中操作系统所做的数据拷贝操作。对于 Linux 操作系统来说，基于数据排序或者校验等各方面因素的考虑，操作系统内核会在处理数据传输的过程中进行多次拷贝操作。在某些情况下，这些数据拷贝操作会极大地降低数据传输的性能。

当应用程序需要访问某块数据的时候，操作系统内核会先检查这块数据是不是因为前一次对相同文件的访问而已经被存放在操作系统内核地址空间的缓冲区内，如果在内核缓冲区中找不到这块数据，Linux 操作系统内核会先将这块数据从磁盘读出来放到操作系统内核的缓冲区里去。如果这个数据读取操作是由 DMA 完成的，那么在 DMA 进行数据读取的这一过程中，CPU 只是需要进行缓冲区管理，以及创建和处理 DMA ，除此之外，CPU 不需要再做更多的事情，DMA 执行完数据读取操作之后，会通知操作系统做进一步的处理。Linux 操作系统会根据 read() 系统调用指定的应用程序地址空间的地址，把这块数据存放到请求这块数据的应用程序的地址空间中去，在接下来的处理过程中，操作系统需要将数据再一次从用户应用程序地址空间的缓冲区拷贝到与网络堆栈相关的内核缓冲区中去，这个过程也是需要占用 CPU 的。数据拷贝操作结束以后，数据会被打包，然后发送到网络接口卡上去。在数据传输的过程中，应用程序可以先返回进而执行其他的操作。之后，在调用 write() 系统调用的时候，用户应用程序缓冲区中的数据内容可以被安全的丢弃或者更改，因为操作系统已经在内核缓冲区中保留了一份数据拷贝，当数据被成功传送到硬件上之后，这份数据拷贝就可以被丢弃。

从上面的描述可以看出，在这种传统的数据传输过程中，数据至少发生了四次拷贝操作，即便是使用了 DMA 来进行与硬件的通讯，CPU 仍然需要访问数据两次。在 read() 读数据的过程中，数据并不是直接来自于硬盘，而是必须先经过操作系统的文件系统层。在 write() 写数据的过程中，为了和要传输的数据包的大小相吻合，数据必须要先被分割成块，而且还要预先考虑包头，并且要进行数据校验和操作。
图 1. 传统使用 read 和 write 系统调用的数据传输

零拷贝（zero copy）技术概述

什么是零拷贝？

简单一点来说，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的技术。针对操作系统中的设备驱动程序、文件系统以及网络协议堆栈而出现的各种零拷贝技术极大地提升了特定应用程序的性能，并且使得这些应用程序可以更加有效地利用系统资源。这种性能的提升就是通过在数据拷贝进行的同时，允许 CPU 执行其他的任务来实现的。零拷贝技术可以减少数据拷贝和共享总线操作的次数，消除传输数据在存储器之间不必要的中间拷贝次数，从而有效地提高数据传输效率。而且，零拷贝技术减少了用户应用程序地址空间和操作系统内核地址空间之间因为上下文切换而带来的开销。进行大量的数据拷贝操作其实是一件简单的任务，从操作系统的角度来说，如果 CPU 一直被占用着去执行这项简单的任务，那么这将会是很浪费资源的；如果有其他比较简单的系统部件可以代劳这件事情，从而使得 CPU 解脱出来可以做别的事情，那么系统资源的利用则会更加有效。综上所述，零拷贝技术的目标可以概括如下：

避免数据拷贝

• 避免操作系统内核缓冲区之间进行数据拷贝操作。
• 避免操作系统内核和用户应用程序地址空间这两者之间进行数据拷贝操作。
• 用户应用程序可以避开操作系统直接访问硬件存储。
• 数据传输尽量让 DMA 来做

将多种操作结合在一起

• 避免不必要的系统调用和上下文切换。
• 需要拷贝的数据可以先被缓存起来。
• 对数据进行处理尽量让硬件来做。

前文提到过，对于高速网络来说，零拷贝技术是非常重要的。这是因为高速网络的网络链接能力与 CPU 的处理能力接近，甚至会超过 CPU 的处理能力。如果是这样的话，那么 CPU 就有可能需要花费几乎所有的时间去拷贝要传输的数据，而没有能力再去做别的事情，这就产生了性能瓶颈，限制了通讯速率，从而降低了网络链接的能力。一般来说，一个 CPU 时钟周期可以处理一位的数据。举例来说，一个 1 GHz 的处理器可以对 1Gbit/s 的网络链接进行传统的数据拷贝操作，但是如果是 10 Gbit/s 的网络，那么对于相同的处理器来说，零拷贝技术就变得非常重要了。对于超过 1 Gbit/s 的网络链接来说，零拷贝技术在超级计算机集群以及大型的商业数据中心中都有所应用。然而，随着信息技术的发展，1 Gbit/s，10 Gbit/s 以及 100 Gbit/s 的网络会越来越普及，那么零拷贝技术也会变得越来越普及，这是因为网络链接的处理能力比 CPU 的处理能力的增长要快得多。传统的数据拷贝受限于传统的操作系统或者通信协议，这就限制了数据传输性能。零拷贝技术通过减少数据拷贝次数，简化协议处理的层次，在应用程序和网络之间提供更快的数据传输方法，从而可以有效地降低通信延迟，提高网络吞吐率。零拷贝技术是实现主机或者路由器等设备高速网络接口的主要技术之一。

现代的 CPU 和存储体系结构提供了很多相关的功能来减少或避免 I/O 操作过程中产生的不必要的 CPU 数据拷贝操作，但是，CPU 和存储体系结构的这种优势经常被过高估计。存储体系结构的复杂性以及网络协议中必需的数据传输可能会产生问题，有时甚至会导致零拷贝这种技术的优点完全丧失。在下一章中，我们会介绍几种 Linux 操作系统中出现的零拷贝技术，简单描述一下它们的实现方法，并对它们的弱点进行分析。

零拷贝技术分类

零拷贝技术的发展很多样化，现有的零拷贝技术种类也非常多，而当前并没有一个适合于所有场景的零拷贝技术的出现。对于 Linux 来说，现存的零拷贝技术也比较多，这些零拷贝技术大部分存在于不同的 Linux 内核版本，有些旧的技术在不同的 Linux 内核版本间得到了很大的发展或者已经渐渐被新的技术所代替。本文针对这些零拷贝技术所适用的不同场景对它们进行了划分。概括起来，Linux 中的零拷贝技术主要有下面这几种：

• 直接 I/O：对于这种数据传输方式来说，应用程序可以直接访问硬件存储，操作系统内核只是辅助数据传输：这类零拷贝技术针对的是操作系统内核并不需要对数据进行直接处理的情况，数据可以在应用程序地址空间的缓冲区和磁盘之间直接进行传输，完全不需要 Linux 操作系统内核提供的页缓存的支持。
• 在数据传输的过程中，避免数据在操作系统内核地址空间的缓冲区和用户应用程序地址空间的缓冲区之间进行拷贝。有的时候，应用程序在数据进行传输的过程中不需要对数据进行访问，那么，将数据从 Linux 的页缓存拷贝到用户进程的缓冲区中就可以完全避免，传输的数据在页缓存中就可以得到处理。在某些特殊的情况下，这种零拷贝技术可以获得较好的性能。Linux 中提供类似的系统调用主要有 mmap()，sendfile() 以及 splice()。
• 对数据在 Linux 的页缓存和用户进程的缓冲区之间的传输过程进行优化。该零拷贝技术侧重于灵活地处理数据在用户进程的缓冲区和操作系统的页缓存之间的拷贝操作。这种方法延续了传统的通信方式，但是更加灵活。在Linux中，该方法主要利用了写时复制技术。

前两类方法的目的主要是为了避免应用程序地址空间和操作系统内核地址空间这两者之间的缓冲区拷贝操作。这两类零拷贝技术通常适用在某些特殊的情况下，比如要传送的数据不需要经过操作系统内核的处理或者不需要经过应用程序的处理。第三类方法则继承了传统的应用程序地址空间和操作系统内核地址空间之间数据传输的概念，进而针对数据传输本身进行优化。我们知道，硬件和软件之间的数据传输可以通过使用 DMA 来进行，DMA 　进行数据传输的过程中几乎不需要　 CPU 　参与，这样就可以把 CPU 解放出来去做更多其他的事情，但是当数据需要在用户地址空间的缓冲区和　 Linux 　操作系统内核的页缓存之间进行传输的时候，并没有类似　 DMA 　这种工具可以使用，CPU 　需要全程参与到这种数据拷贝操作中，所以这第三类方法的目的是可以有效地改善数据在用户地址空间和操作系统内核地址空间之间传递的效率。