平時(shí)在面試中你肯定會(huì)經(jīng)常碰見(jiàn)的問(wèn)題就是：RocketMQ為什么快？Kafka為什么快璧函？什么是mmap傀蚌？

這一類的問(wèn)題都逃不過(guò)的一個(gè)點(diǎn)就是零拷貝，雖然還有一些其他的原因蘸吓，但是今天我們的話題主要就是零拷貝善炫。

傳統(tǒng)IO

在開始談零拷貝之前，首先要對(duì)傳統(tǒng)的IO方式有一個(gè)概念库继。

基于傳統(tǒng)的IO方式箩艺，底層實(shí)際上通過(guò)調(diào)用read()和write()來(lái)實(shí)現(xiàn)宪萄。

通過(guò)read()把數(shù)據(jù)從硬盤讀取到內(nèi)核緩沖區(qū)艺谆，再?gòu)?fù)制到用戶緩沖區(qū)；然后再通過(guò)write()寫入到socket緩沖區(qū)拜英，最后寫入網(wǎng)卡設(shè)備静汤。

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整個(gè)過(guò)程發(fā)生了4次用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的上下文切換和4次拷貝，具體流程如下：

1. 用戶進(jìn)程通過(guò)read()方法向操作系統(tǒng)發(fā)起調(diào)用居凶，此時(shí)上下文從用戶態(tài)轉(zhuǎn)向內(nèi)核態(tài)
2. DMA控制器把數(shù)據(jù)從硬盤中拷貝到讀緩沖區(qū)
3. CPU把讀緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用緩沖區(qū)虫给，上下文從內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)為用戶態(tài)，read()返回
4. 用戶進(jìn)程通過(guò)write()方法發(fā)起調(diào)用排监，上下文從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為內(nèi)核態(tài)
5. CPU將應(yīng)用緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)拷貝到socket緩沖區(qū)
6. DMA控制器把數(shù)據(jù)從socket緩沖區(qū)拷貝到網(wǎng)卡狰右，上下文從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)，write()返回

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那么舆床，這里指的用戶態(tài)棋蚌、內(nèi)核態(tài)指的是什么？上下文切換又是什么挨队？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)谷暮，用戶空間指的就是用戶進(jìn)程的運(yùn)行空間，內(nèi)核空間就是內(nèi)核的運(yùn)行空間盛垦。

如果進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)核空間就是內(nèi)核態(tài)湿弦，運(yùn)行在用戶空間就是用戶態(tài)。

為了安全起見(jiàn)腾夯，他們之間是互相隔離的颊埃，而在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的上下文切換也是比較耗時(shí)的蔬充。

從上面我們可以看到，一次簡(jiǎn)單的IO過(guò)程產(chǎn)生了4次上下文切換班利，這個(gè)無(wú)疑在高并發(fā)場(chǎng)景下會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生較大的影響饥漫。

那么什么又是DMA拷貝呢？

因?yàn)閷?duì)于一個(gè)IO操作而言罗标，都是通過(guò)CPU發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令來(lái)完成庸队，但是相比CPU來(lái)說(shuō)，IO的速度太慢了闯割，CPU有大量的時(shí)間處于等待IO的狀態(tài)彻消。

因此就產(chǎn)生了DMA（Direct Memory Access）直接內(nèi)存訪問(wèn)技術(shù)，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)他就是一塊主板上獨(dú)立的芯片宙拉，通過(guò)它來(lái)進(jìn)行內(nèi)存和IO設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸宾尚，從而減少CPU的等待時(shí)間。

但是無(wú)論誰(shuí)來(lái)拷貝谢澈，頻繁的拷貝耗時(shí)也是對(duì)性能的影響央勒。

零拷貝

零拷貝技術(shù)是指計(jì)算機(jī)執(zhí)行操作時(shí)，CPU不需要先將數(shù)據(jù)從某處內(nèi)存復(fù)制到另一個(gè)特定區(qū)域澳化，這種技術(shù)通常用于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸文件時(shí)節(jié)省CPU周期和內(nèi)存帶寬崔步。

那么對(duì)于零拷貝而言，并非真的是完全沒(méi)有數(shù)據(jù)拷貝的過(guò)程缎谷，只不過(guò)是減少用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換次數(shù)以及CPU拷貝的次數(shù)井濒。

這里，僅僅有針對(duì)性的來(lái)談?wù)剮追N常見(jiàn)的零拷貝技術(shù)列林。

mmap+write

mmap+write簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是使用mmap替換了read+write中的read操作瑞你，減少了一次CPU的拷貝。

mmap主要實(shí)現(xiàn)方式是將讀緩沖區(qū)的地址和用戶緩沖區(qū)的地址進(jìn)行映射希痴，內(nèi)核緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)共享者甲，從而減少了從讀緩沖區(qū)到用戶緩沖區(qū)的一次CPU拷貝。

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整個(gè)過(guò)程發(fā)生了4次用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的上下文切換和3次拷貝砌创，具體流程如下：

1. 用戶進(jìn)程通過(guò)mmap()方法向操作系統(tǒng)發(fā)起調(diào)用虏缸，上下文從用戶態(tài)轉(zhuǎn)向內(nèi)核態(tài)
2. DMA控制器把數(shù)據(jù)從硬盤中拷貝到讀緩沖區(qū)
3. 上下文從內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)為用戶態(tài)，mmap調(diào)用返回
4. 用戶進(jìn)程通過(guò)write()方法發(fā)起調(diào)用嫩实，上下文從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為內(nèi)核態(tài)
5. CPU將讀緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)拷貝到socket緩沖區(qū)
6. DMA控制器把數(shù)據(jù)從socket緩沖區(qū)拷貝到網(wǎng)卡刽辙，上下文從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)，write()返回

mmap的方式節(jié)省了一次CPU拷貝甲献，同時(shí)由于用戶進(jìn)程中的內(nèi)存是虛擬的宰缤，只是映射到內(nèi)核的讀緩沖區(qū)，所以可以節(jié)省一半的內(nèi)存空間，比較適合大文件的傳輸慨灭。

sendfile

相比mmap來(lái)說(shuō)朦乏，sendfile同樣減少了一次CPU拷貝，而且還減少了2次上下文切換氧骤。

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sendfile是Linux2.1內(nèi)核版本后引入的一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)集歇，通過(guò)使用sendfile數(shù)據(jù)可以直接在內(nèi)核空間進(jìn)行傳輸，因此避免了用戶空間和內(nèi)核空間的拷貝语淘，同時(shí)由于使用sendfile替代了read+write從而節(jié)省了一次系統(tǒng)調(diào)用，也就是2次上下文切換际歼。

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整個(gè)過(guò)程發(fā)生了2次用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的上下文切換和3次拷貝惶翻，具體流程如下：

1. 用戶進(jìn)程通過(guò)sendfile()方法向操作系統(tǒng)發(fā)起調(diào)用，上下文從用戶態(tài)轉(zhuǎn)向內(nèi)核態(tài)
2. DMA控制器把數(shù)據(jù)從硬盤中拷貝到讀緩沖區(qū)
3. CPU將讀緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)拷貝到socket緩沖區(qū)
4. DMA控制器把數(shù)據(jù)從socket緩沖區(qū)拷貝到網(wǎng)卡鹅心，上下文從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)吕粗，sendfile調(diào)用返回

sendfile方法IO數(shù)據(jù)對(duì)用戶空間完全不可見(jiàn)，所以只能適用于完全不需要用戶空間處理的情況旭愧，比如靜態(tài)文件服務(wù)器颅筋。

sendfile+DMA Scatter/Gather

Linux2.4內(nèi)核版本之后對(duì)sendfile做了進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)引入新的硬件支持输枯，這個(gè)方式叫做DMA Scatter/Gather 分散/收集功能议泵。

它將讀緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)描述信息--內(nèi)存地址和偏移量記錄到socket緩沖區(qū)，由 DMA 根據(jù)這些將數(shù)據(jù)從讀緩沖區(qū)拷貝到網(wǎng)卡桃熄，相比之前版本減少了一次CPU拷貝的過(guò)程

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整個(gè)過(guò)程發(fā)生了2次用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的上下文切換和2次拷貝先口，其中更重要的是完全沒(méi)有CPU拷貝，具體流程如下：

1. 用戶進(jìn)程通過(guò)sendfile()方法向操作系統(tǒng)發(fā)起調(diào)用瞳收，上下文從用戶態(tài)轉(zhuǎn)向內(nèi)核態(tài)
2. DMA控制器利用scatter把數(shù)據(jù)從硬盤中拷貝到讀緩沖區(qū)離散存儲(chǔ)
3. CPU把讀緩沖區(qū)中的文件描述符和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度發(fā)送到socket緩沖區(qū)
4. DMA控制器根據(jù)文件描述符和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碉京，使用scatter/gather把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到網(wǎng)卡
5. sendfile()調(diào)用返回，上下文從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)

DMA gather和sendfile一樣數(shù)據(jù)對(duì)用戶空間不可見(jiàn)螟深，而且需要硬件支持谐宙，同時(shí)輸入文件描述符只能是文件，但是過(guò)程中完全沒(méi)有CPU拷貝過(guò)程界弧，極大提升了性能凡蜻。

應(yīng)用場(chǎng)景

對(duì)于文章開頭說(shuō)的兩個(gè)場(chǎng)景：RocketMQ和Kafka都使用到了零拷貝的技術(shù)。

對(duì)于MQ而言垢箕，無(wú)非就是生產(chǎn)者發(fā)送數(shù)據(jù)到MQ然后持久化到磁盤咽瓷，之后消費(fèi)者從MQ讀取數(shù)據(jù)。

對(duì)于RocketMQ來(lái)說(shuō)這兩個(gè)步驟使用的是mmap+write舰讹，而Kafka則是使用mmap+write持久化數(shù)據(jù)茅姜，發(fā)送數(shù)據(jù)使用sendfile。

總結(jié)

由于CPU和IO速度的差異問(wèn)題，產(chǎn)生了DMA技術(shù)钻洒，通過(guò)DMA搬運(yùn)來(lái)減少CPU的等待時(shí)間奋姿。

傳統(tǒng)的IOread+write方式會(huì)產(chǎn)生2次DMA拷貝+2次CPU拷貝，同時(shí)有4次上下文切換素标。

而通過(guò)mmap+write方式則產(chǎn)生2次DMA拷貝+1次CPU拷貝称诗，4次上下文切換，通過(guò)內(nèi)存映射減少了一次CPU拷貝头遭，可以減少內(nèi)存使用寓免，適合大文件的傳輸。

sendfile方式是新增的一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)计维，產(chǎn)生2次DMA拷貝+1次CPU拷貝袜香，但是只有2次上下文切換。因?yàn)橹挥幸淮握{(diào)用鲫惶，減少了上下文的切換蜈首，但是用戶空間對(duì)IO數(shù)據(jù)不可見(jiàn)，適用于靜態(tài)文件服務(wù)器欠母。

sendfile+DMA gather方式產(chǎn)生2次DMA拷貝欢策，沒(méi)有CPU拷貝，而且也只有2次上下文切換赏淌。雖然極大地提升了性能踩寇，但是需要依賴新的硬件設(shè)備支持。

參考：

https://juejin.cn/post/6844903949359644680#heading-19

https://www.cnblogs.com/xiaolincoding/p/13719610.html

https://time.geekbang.org/column/article/118657

https://www.toutiao.com/i6898240850917114380/