【翻译】零拷贝的意义

原文

什么是零拷贝

为了更好地理解解决了什么问题，首先要理解问题本身。我们来看下下面的代码发生了什么

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

看起来简单，你可能觉得两次系统调用也不是多大的开销。实际上，远比你想象中的大。这两次系统调用之下，数据拷贝了四次，并且还有内核态和用户态之间的上下文切换（实际上这个进程更复杂，但是先保持这种程度的简化）。为了更好地了解这个进程的调用，看下图

第一步：read 系统调用发生了用户态到内核态的切换。第一次拷贝由DMA执行，从 disk 读取文件内容到内核空间的 buffer

第二步：数据从内核空间的 buffer 拷贝到用户空间的 buffer，然后 read 系统调用 return。return 又发生了内核态到用户态的切换。现在数据存储在用户态的 buffer 中

第三步：write 系统调用发生了用户态到内核态的切换。第三次拷贝从用户空间 buffer 到内核空间 buffer，这次内核空间的buffer 与 socket 关联

第四步：write 系统调用 return，触发了第四次上下文切换。单独异步的拷贝由DMA控制将数据从内核空间的 buffer 拷贝到协议栈中。你可能会问“什么叫独立异步？数据不是在return的时候就传输完成了吗？”事实上，return 并不保证传输完成；甚至不保证传输开始。可能在这次调用之前队列中有很多包，除非硬件驱动实现了优先队列，并且本次数据在第一优先级的队列中

正如你所看到的，很多数据拷贝实际本不必要发生。有些拷贝可以规避掉来减少开销提升程序性能。对一个驱动开发者，硬件实际有很多增强功能。有些硬件支持 bypass 主存，直接从将数据传输到其他设备。这个特性可以减少系统存储中的拷贝，但并不是所有硬件都支持。还有一个问题就是从disk得到数据需要为了网络重新封装，这带来了复杂性。为了减少开销，我们可以从减少内核空间和用户空间之间的拷贝开始。

mmap

一个方法就是避免使用read，而使用 mmap

tmp_buf = mmap(file, len);
write(socket, tmp_buf, len);

为了更好地理解这个过程，看下图

第一步：mmap 系统调用使得文件内容通过 DMA 从disk 拷贝到内核空间的buffer，这个buffer可以直接在用户空间访问，不需要拷贝到用户空间

第二步：write 系统调用使得内核将内核空间buffer中的数据拷贝到 socket 关联的内核buffer中

第三步：第三次拷贝是 DMA 将socket buffer中的数据拷贝到协议栈中

通过使用 mmap，我们减少了一次使用 CPU 的拷贝。当大量数据传输时这比较有用，但并不是没有代价，有些隐藏的问题其实。当另一个进程也mmap到了同一个文件，然后对其进行了写入操作。上面代码的 write 就会被 SIGBUS 中断。这个信号默认的行为是杀死进程并coredump -- 这个操作对于网络服务器恨不能接受。有两种方法解决这个问题

第一个是定义一下 SIGBUS 的信号处理程序，直接return。这样 write 系统调用就会返回中断前写入的字节数，然后 errno 被设置为成功。这是个垃圾方案，无视问题，因为 SIGBUS 实际表示进程发生了严重错误，不应该无视

第二个是使用内核的文件租约（也叫“乐观锁”）。这是正确的解决方案。你可以从内核请求 read/write lease，当另一个进程视图对同一个文件进行截断时，内核会发送 RT_SINGAL_LEASE信号给有租约的进程，告诉你内核正在打断你的租约。你的写请求就会在程序访问无效地址之前被中断而不会导致 SIGBUS。write的返回值就是已经写入的字节数，errno被设置为成功，代码如下

if (fcntl(fd, F_SETSIG, RT_SIGNAL_LEASE) == -1) {
  perror("kernel lease set signal");
  return -1;
}
/*l_type can be F_RDLCK F_WRLCK*/
if (fcntl(fd, F_SETLEASE, l_type)) {
  peror("kernel lease set type");
  return -1;
}

你应该在 mmap file之前获取租约，然后完成写入后主动放弃租约。通过调用 fcntl(F_SETLEASE, F_UNLCK)

Sendfile

在内核2.1版本，sendfile 系统调用简化了将数据从文件传输到socket的方法，不仅减少了数据拷贝，还减少了内核与用户空间的上下文切换

sendfile(socket, file, len);

为了更好地理解底层过程，如下图

第一步：sendfile 系统调用使得文件内容通过 DMA 拷贝到内核buffer，然后数据被内核拷贝到 socket buffer

第二步：第三次拷贝 DMA 控制从 socket buffer 拷贝到协议栈

你可能想知道如果另一个进程截断了这个文件，sendfile会发生什么。如果没有注册信号处理函数，sendfile 调用会返回已经传输的字节，errno被设置为成功

如果 sendfile 之前获取了文件租约，行为相同。同时sendfile return前会有 RT_SIGNAL_LEASE 信号

sendfile + gather(hardware)

如此说来，我们已经避免了内核进行多次拷贝，但是还有一次拷贝，可以也避免吗？当然，但是需要硬件的支持。为了消除内核的所有拷贝，需要网卡支持 gather 操作。内核2.4版本引入了socket对这种操作的支持，这种方法不需要内核态切换，也不需要处理器进行数据拷贝。同时用户代码不变

sendfile(socket, file, len);

底层流程如下图

第一步：sendfile 系统调用可以将文件内容通过 DMA 拷贝到内核 buffer

第二步：没有数据被拷贝到 socket buffer。socket 文件描述符只有数据的长度信息。DMA 直接将数据从kernel buffer 拷贝到协议栈

因为数据从 disk 到主存的拷贝和从主存到总线的拷贝，有些人觉得这也不是零拷贝。这只是从操作系统角度的零拷贝，因为在操作系统中只有一个buffer。当使用零拷贝时，性能提升还来自，比如更少的内核用户态切换，更少的 CPU cache 污染以及不需要 CPU 校验

现在我们知道了什么是零拷贝，练习些代码吧。你可以下载完整代码。

论文

splice

sendfile 只适用于将数据从文件拷贝到socket（依赖于具体实现，linux系统可以从文件到文件），而且使用 gather 需要硬件的支持。Linux 在2.6.17版本中实现了 splice 系统调用，不需要硬件支持，实现了两个文件描述符之间的数据零拷贝。

Copysplice(fd_in, off_in, fd_out, off_out, len, flags);

splice 系统调用在内核空间的 buffer 和 socket buffer 之间建立了管道，避免了两者之间的 CPU 拷贝操作

基于 splice 系统调用的零拷贝方式，整个拷贝过程会发生 2 次上下文切换，0 次 CPU 拷贝以及 2 次 DMA 拷贝，用户程序读写数据的流程如下：

1. 用户进程通过 splice() 函数向内核(kernel)发起系统调用，上下文从用户态 (user space) 切换为内核态(kernel space)；
2. CPU 利用 DMA 控制器将数据从主存或硬盘拷贝到内核空间 (kernel space) 的读缓冲区 (read buffer)；
3. CPU 在内核空间的读缓冲区 (read buffer) 和网络缓冲区(socket buffer)之间建立管道 (pipeline)；
4. CPU 利用 DMA 控制器将数据从网络缓冲区 (socket buffer) 拷贝到网卡进行数据传输；
5. 上下文从内核态 (kernel space) 切换回用户态 (user space)，splice 系统调用执行返回。

splice 拷贝方式也同样存在用户程序不能对数据进行修改的问题。除此之外，它使用了 Linux 的管道缓冲机制，可以用于任意两个文件描述符中传输数据，但是它的两个文件描述符参数中有一个必须是管道设备。

写时复制

在某些情况下，内核缓冲区可能被多个进程所共享，如果某个进程想要这个共享区进行 write 操作，由于 write 不提供任何的锁操作，那么就会对共享区中的数据造成破坏，写时复制的引入就是 Linux 用来保护数据的。

写时复制指的是当多个进程共享同一块数据时，如果其中一个进程需要对这份数据进行修改，那么就需要将其拷贝到自己的进程地址空间中。这样做并不影响其他进程对这块数据的操作，每个进程要修改的时候才会进行拷贝，所以叫写时拷贝。这种方法在某种程度上能够降低系统开销，如果某个进程永远不会对所访问的数据进行更改，那么也就永远不需要拷贝。

缺点：

需要 MMU 的支持，MMU 需要知道进程地址空间中哪些页面是只读的，当需要往这些页面写数据时，发出一个异常给操作系统内核，内核会分配新的存储空间来供写入的需求。

缓冲区共享

缓冲区共享方式完全改写了传统的 I/O 操作，传统的 Linux I/O 接口支持数据在应用程序地址空间和操作系统内核之间交换，这种交换操作导致所有的数据都需要进行拷贝。

如果采用 fbufs 这种方法，需要交换的是包含数据的缓冲区，这样就消除了多余的拷贝操作。应用程序将 fbuf 传递给操作系统内核，这样就能减少传统的 write 系统调用所产生的数据拷贝开销。

同样的应用程序通过 fbuf 来接收数据，这样也可以减少传统 read 系统调用所产生的数据拷贝开销。

fbuf 的思想是每个进程都维护着一个缓冲区池，这个缓冲区池能被同时映射到用户空间 (user space) 和内核态 (kernel space)，内核和用户共享这个缓冲区池，这样就避免了一系列的拷贝操作。

缺点：

缓冲区共享的难度在于管理共享缓冲区池需要应用程序、网络软件以及设备驱动程序之间的紧密合作，而且如何改写 API 目前还处于试验阶段并不成熟。

Linux零拷贝对比

无论是传统 I/O 拷贝方式还是引入零拷贝的方式，2 次 DMA Copy 是都少不了的，因为两次 DMA 都是依赖硬件完成的。下面从 CPU 拷贝次数、DMA 拷贝次数以及系统调用几个方面总结一下上述几种 I/O 拷贝方式的差别。