常见的零拷贝优化技术

在关注IO性能时我们经常听到零拷贝，那么零拷贝到底是什么呢？为什么要做零拷贝？又有哪些方案？本文就一起来看下。

零拷贝技术一般可以分为两类 ##

• devices（disk、nic）和kernel buffer之间的数据拷贝，一般可以通过DMA（直接存储器访问）来优化掉，既能够避免中断CPU减轻CPU负载，也能够直接读写内存减少数据从nic到cpu再到kernel buffer的拷贝动作；
• kernel buffer和application buffer之间的数据拷贝；

说优化拷贝一般是去优化cpu拷贝，DMA拷贝是无法避免的。零拷贝则强调的是kernel buffer和application buffer之间的拷贝，零拷贝并不是说整个过程中完全有没有数据拷贝，在kernel space还是发生拷贝，当然下面提到的sendfile+DMA硬件支持分散读/聚集写情况下能优化掉kernel buffer之间的拷贝。

然后明确下优化拷贝的原因 ##

• 使用系统调用的次数影响到上下文切换次数，上下文切换会带来一定的开销，如read、write组合起来完成磁盘数据读取、网络发送，就要切换4次，而且read、write要重复很多次，上下文切换开销就不能完全忽视；
• 数据拷贝，主要是说利用cpu来拷贝，cpu势必要中断原来的任务去做拷贝的事情，move来move去，干了些杂活，理想情况下是希望尽可能做更多的事，当然不一定能完全避免cpu拷贝，但是能让拷贝的数据量减少点还是值得的；

零拷贝优化一方面是要优化掉kernel buffer和application buffer的数据拷贝问题，一方面也要考虑下如何尽可能减少cpu拷贝对程序停顿的影响。

常见的拷贝优化方案 ##

这里解决kernel buffer和application buffer之间数据拷贝的常用办法有以下几种，以读取磁盘数据发送到socket为例说明：

memory mapping ##

mmap系统调用，read的时候，dma从磁盘发送数据到kernel buffer，mmap根据fd映射对应的kernel buffer和application buffer，省掉一次考拷贝。write的时候，数据从kernel buffer直接拷贝到socket buffer再到nic buffer;

shared buffers in kernel memory space ##

这里希望能再次优化掉mmap方案中write时从kernel buffer到nic buffer的拷贝，在kernel space中建立一个共享内存区域buf，dma传送数据到这个buf的b_data指针指向的位置，write的时候使用dma从这个buf的m_data位置开始写，其实b_data、m_data共享了底层内存区域。相当于一个写指针、一个读指针。通过这种方式优化掉了kernel space到nic space的拷贝；

shared buffers between user and kernel space ##

linux sk_buffers结构，其中有个指针记录着要发送的数据（application buffer中）的地址，避免了从application buffer到kernel buffer的拷贝；

different system calls, sendfile, splice, etc ##

先说sendfile，sendfile允许在fd之间直接传送数据，进出sendfile上下文切换只需两次，数据直接从源fd对应的kernel buffer（dma从设备上拷贝过去）到目的socketfd的socket buffer拷贝，完全绕过了应用程序buffer及其拷贝；

sendfile with DMA Scatter/Gather copy ##

上面sendfile存在一个从kernel buffer到socket buffer的cpu拷贝，如何优化掉？在硬件支持下，kernel buffer可以只把这个buffer的fd信息发送给socket，这里就避免了数据拷贝，这里的kernel buffer可以是多个，那就发送多个buffer的fd信息给socket，然后DMA借助分散读聚集写直接从上述kernel buffers拷贝到nic buffer。这样完全消除了cpu拷贝动作，避免了对cpu的中断；

splice ##

从一个fd到另一个fd拷贝数据，先要在两个fd之间通过pipe系统调用构建一个管道，管道在内核中就是一个buffer只不过返回读端、写端在userspace中供读写。splice就是从源fd的kernel buffer写到pipe buffer的写端，然后再从这个pipe buffer的读端拷贝数据到目的fd的kernel buffer。和前面最牛对技术方案相比，这种方案和前面这种sendfile+DMA分散读聚集写相比，kernel space中多了两次cpu copy，好处是可以不需要硬件的支持；

hardware support ##

前面已经提到过了DMA相关的加成，可能还有其他方案；

总结 ##

本文总结了零拷贝是什么、目的是什么以及有哪些常见的优化手段，除了软件层面的方案，在硬件加成下还可以做更好的方案。其实不同零拷贝技术对安全加密、过滤也有不同的影响，这部分内容如果有机会再总结分享。

参考内容 ##

• https://www.uidaho.edu/-/media/UIdaho-Responsive/Files/engr/research/csds/publications/2012/Performance-Review-of-Zero-Copy-Techniques-2012.pdf
• mmap：https://man7.org/linux/man-pages/man2/mmap.2.html
• splice/tee：https://www.kernelhcy.info/?p=202
• splice: https://man7.org/linux/man-pages/man2/splice.2.html