【操作系统】操作系统IO技术底层机制和ZeroCopy

1.DMA技术详解

（1）应用程序 从 磁盘读写数据 的时序图（未用DMA技术前）

（2）什么是DMA 技术 (Direct Memory Access）

• 直接内存访问，直接内存访问是计算机科学中的一种内存访问技术。
• DMA之前：要把外设的数据读入内存或把内存的数据传送到外设，一般都要通过CPU控制完成，利用中断技术。
• 允许某些硬件系统能够独立于CPU直接读写操作系统的内存，不需要中处理器（CPU）介入处理。
• 数据传输操作在一个DM控制器（DMAC）的控制下进行，在传输过程中CPU可以继续进行其他的工作。
• 在大部分时间CPU和I/O操作都处于并行状态，系统的效率更高。

（3）应用程序的读写数据

• 读本地磁盘

  • 操作系统检查内存缓冲区读取，如果存在则直接把内核空间的数据copy到用户空间（CPU负责），应用程序即可使用。

  • 上步没数据，则从磁盘中读取到内核缓冲（DMA负责），再把内核空间的数据copy到用户空间（CPU负责），应用程序即可使用

  • 硬盘->内核缓冲区->用户缓冲区

• 写操作本地磁盘

  • 根据操作系统的写入方式不一样，buffer IO 和 direct IO ，写入磁盘时机不一样。
  • buffer IO
    • 应用程序把数据从用户空间copy到内核空间的缓冲区（CPU负责），再把内核缓冲区的数据写到磁盘（DMA负责）。
  • direct IO
    • 应用程序把数据直接从用户态地址空间写入到磁盘中，直接跳过内核空间缓冲区。
    • 减少操作系统缓冲区和用户地址空间的拷贝次数，降低了CPU和内存开销。
  • 用户缓冲区->内核缓冲区->硬盘

• 读网络数据

  • 网卡Socket（类似磁盘）中读取客户端发送的数据到内核空间（DMA负责）。
  • 把内核空间的数据copy到用户空间（CPU负责），然后应用程序即可使用。

• 写网络数据

  • 用户缓冲区中的数据copy到内核缓冲区的Socket Buffer 中（CPU负责）
  • 将内核空间中的Socket Buffer 拷贝到Socket协议栈（网卡设备）进行传输（DMA负责）

（4）DMA的工作总结

• 从磁盘的缓冲区到内核缓冲区的拷贝工作。
• 从网卡设备到内核的socket buffer 的拷贝工作。
• 从内核缓冲区到磁盘缓冲区的拷贝工作。
• 从内核的socket buffer到网卡设备的拷贝工作。
• 注意：内核缓冲区到用户缓冲区之间的拷贝工作仍然由CPU负责

（5）DMA技术带来的性能损耗

• 上图应用程序从磁盘读取数据发送到网络上的损耗，程序需要两个命令 先read读取，再write写出
• 四次内核态和用户态的切换
• 四次缓冲区的拷贝（2次DMA拷贝、2次CPU拷贝）
  • 读取：磁盘缓冲区到内核缓冲区（DMA）
  • 读取：内核缓冲区到用户缓冲区（CPU）
  • 写出：用户缓冲区到内核缓冲区Socket Buffer（CPU）
  • 写出：内核缓冲区的Socket Buffer到网卡设备（DMA）

为了解决这种性能的损耗所以就诞生了零拷贝。

2.ZeroCopy零拷贝技术简介

（1）什么是零拷贝ZeroCopy

​ 减少不必要的内核缓冲区跟用户缓冲区之间的拷贝工作，从而减少CPU的开销和减少kernel和user模式的上下文切换，达到性能的提升。从磁盘中读取文件通过网络发送出去，只需要拷贝2\3次和2\4的内核态和用户态的切换即可。

ZeroCopy技术实现方式有两种（内核态和用户态切换次数不一样）

• 方式一：mmap+write
• 方式二：sendfile

（2）ZeroCopy的实现底层 mmap + write

• 操作系统都使用虚拟内存，虚拟地址通过多级页表映射物理地址。

• 多个虚拟内存可以指向同一个物理地址，虚拟内存的总空间远大于物理内存空间。

• 如果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，就不需要来回复制数据。

• mmap系统调用函数会直接把内核缓冲区的数据映射到用户空间，内核空间和用户空间就不需要在进行数据拷贝的操作了，节省了CPU开销。

• mmap()负责读取，write()负责写出

• 执行流程

  • 应用程序先调用mmap()方法，将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区，返回结束（DMA负责）。在调用write()，内核缓冲区的数据直接拷贝到内核socket buffer （CPU负责），然后把内核缓冲区的Socket Buffer 给直接拷贝给Socket协议线，即网卡设备中，返回结束（DMA负责）

• 采用mmap之后，CPU用户态和内核态上下文切换依旧是4次和全程有3次数据拷贝
• 2次DMA拷贝、1次CPU拷贝、4次内核态用户态切换，减少了1次CPU拷贝

（3）ZeroCopy的实现底层 sendfile

• Linux kernal 2.1新增发送文件的系统调用函数sendfile()。
• 执行流程
  • 替代read()和write()两个系统调用，减少一次系统调用，即减少2次CPU上下文切换的开销，调用sendfile()，从磁盘读取到内核缓冲区，然后直接把内核缓冲区的数据拷贝到socket buffer缓冲区里，再把内核缓冲区的SocketBuffer给直接拷贝给Socket协议栈，即网卡设备中（DMA负责）。

• 采用sendfile后，CPU用户态和内核态上下文切换是2次 和 全程3次的数据拷贝，2次DMA拷贝、1次的CPU拷贝、2次内核态用户态切换。
• Linux 2.4+ 版本之后改进sendfile，利用DMA Gather(带有收集功能的DMA)，变成了真正的零拷贝（没有CPU Copy）

  • 应用程序先调用sendfile()方法，将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区（DMA负责）

  • 把内存地址、偏移量的缓冲区fd描述符拷贝到Socket Buffer中去 拷贝很少的数据，可忽略

    • 本质和虚拟内存的解决方法思路一样，就是内存地址的记录

  • 然后把内核缓冲区的Socket Buffer给直接拷贝给Socket协议栈 即网卡设备中，返回结束（DMA负责）

3.Java和主流中间件里的零拷贝技术

（1）Java中有哪些零拷贝技术

• Java NIO对mmap的实现 fileChannel.map()
• Java NIO对sendfile的实现 fileChannel.transferTo() 和 fileChannel.transferFrom()

（2）什么是FileChannel

• FileChannel是一个连接到文件的通道，可以通过文件通道读写文件，该常被用于搞笑的网络/文件的数据传输和大文件拷贝
• 应用程序使用FileChannel写完以后，数据是在PageCache上的，操作系统不定时的把PageCache的数据写入到磁盘。为了避免宕机数据丢失，使用channel.force(true) 把文件相关的数据强制刷入磁盘上去。
• 使用之前必须先打开它，但是无法直接new一个FileChannel。
• 常规通过使用一个InputStream、OutputStream或者RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。

RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("文件路径","rw");
FileChannel inChannel = randomAccessFile.getChannel();

（3）mmap方式实现

• map方法，把文件映射成内存映射文件
• MappedByteBuffer，是抽象类也是ByteBuffer的子类，具体实现子类是DirectByteBuffer，可被通道进行读写。
• 一次map大小要限制在2G内，过大map会增加虚拟内存回收和重新分配的压力，直接报错。
• FileChannel.java中的map对long size 进行了限制，不能大于Integer.MAX_VALUE，否则就报错

• JDK层做限制是因为底层C++的类型，无符号int类型最大是2^31 -1， 2^31 -1 字节就是 2GB - 1B。

MappedByteBuffer map(int mode,long position,long size)
position:文件开始位置
size:映射文件区域大小
mode:访问该内存映射文件的方式，READ_ONLY(只读)、READ_WRITE(读写)、PRIVATE(创建一个读写副本)

（4）sendfile方式实现

• fileChannel.transferTo(long postition,long count,WritableByteChannel target)
• 将字节从此通道的文件传输到给定的可写入字节通道。
• 返回值为真实拷贝的size，最大拷贝2G，超出2G的部分将丢弃。

position:文件中的位置，从此位置开始传输，必须非负数
count:要传输的最大字节数，必须非负数
target:目标通道
返回:实际已传输的字节数，可能为零

• fileChannel.transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)

• 将字节从给定的可读取字节通道传输到此通道的文件中
• 对比 从源通道读取并将内容写入此通道的循环语句相比，此方法更高效

src:源通道
position:文件中的位置，从此位置开始传输,必须非负数
count:要传输的最大字节数, 必须非负数
返回:实际已传输的字节数，可能为零

• transferFrom允许将一个通道连接到另一个通道，不需要在用户态和内核态来回复制，同时通道的内核态数据也无需复制，transferTo只有源为FileChannel才支持transfer这种搞笑的复制方式，其他如SocketChannel都不支持transfer模式。
• 一般可以做FileChannel->FileChannel->FileChannel 和 FileChannel->SocketChannel的transfer零拷贝

4.文件IO性能对比实战

实现一个文件拷贝，对比不同IO方式性能差异,文件大小 200MB～5GB

编码实现：

• 普通java的io流
• 普通java的带buffer的io
• 零拷贝实现之mmap的io
• 零拷贝实现之sendfile的io

运行环境准备

• Linux CentOS7.X
• 安装JDK11 配置全局环境变量 vi /etc/profile

JAVA_HOME=/usr/local/jdk11
CLASSPATH=$JAVA_HOME/lib/
PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin
export PATH JAVA_HOME CLASSPATH

• 环境变量立刻生效

  • source /etc/profile

• 查看安装情况 java -version

• 准备1.34G测试文件

（1）普通java的io验证

public class IOTest {public static void main(String[] args) {String inputFilePath = args[0];String outputFilePath = args[1];long start = System.currentTimeMillis();try (FileInputStream fis = new FileInputStream(inputFilePath);FileOutputStream fos = new FileOutputStream(outputFilePath)) {byte[] buf = new byte[1];while(fis.read(buf) != -1){fos.write(buf);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("普通IO耗时："+(end-start));}

测试：java IOTest.java "/usr/local/music.zip" "/usr/local/io-music.zip"

（2）普通java的带buffer的io

public class BufferIOTest {public static void main(String[] args) {String inputFilePath = args[0];String outputFilePath = args[1];long start = System.currentTimeMillis();try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(inputFilePath));BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(outputFilePath))) {byte[] buf = new byte[1];while(bis.read(buf) != -1){bos.write(buf);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("Buffer IO耗时："+(end-start));}
}

（3）零拷贝实现之mmap的io

• 一次 map 最大支持2GB，超过2GB会报错

public class MmapIOTest {public static void main(String[] args) {String inputFilePathStr = args[0];String outputFilePathStr = args[1];long start = System.currentTimeMillis();try (FileChannel channelIn = new FileInputStream(inputFilePathStr).getChannel();FileChannel channelOut = new RandomAccessFile(outputFilePathStr, "rw").getChannel()) {long size = channelIn.size();System.out.println("mappedFile:"+size);MappedByteBuffer mbbi = channelIn.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, size);MappedByteBuffer mbbo = channelOut.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, size);for (int i = 0; i < size; i++) {byte b = mbbi.get(i);mbbo.put(i,b);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("mmap 零拷贝 IO 耗时:"+(end-start));}
}

（4）零拷贝实现之sendfile的io

• 最大拷贝2G，超出2G的部分将丢弃，最终拷贝的文件大小只有2GB多点，超过2GB可以考虑多次执行

public class SendFileIOTest {public static void main(String[] args) {String inputFilePathStr = args[0];String outputFilePathStr = args[1];long start = System.currentTimeMillis();try (FileChannel channelIn = new FileInputStream(inputFilePathStr).getChannel();FileChannel channelOut = new FileOutputStream(outputFilePathStr).getChannel()) {// 代码一：针对小于2GB的问题，返回值为真实拷贝的size，最大拷贝2G，超出2G的部分将丢弃，最终拷贝文件大小只有2GB//channelIn.transferTo(0,channelIn.size(),channelOut);// 代码二：针对大于2GB的文件long size = channelIn.size();for (long left = size;left>0;){//transferSize所拷贝过去的真实长度，size - left 计算出下次要拷贝的位置long transferSize = channelIn.transferTo((size - left),left,channelOut);System.out.println("总大小："+size+"，拷贝大小："+transferSize);//left剩余字节多少left = left - transferSize;}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("sendfile 零拷贝 IO 耗时:"+(end-start));}
}

（5）测试结果分析

• 1~2GB的文件

• 普通拷贝
  • 普通java的io流【慢】3973924秒
  • 普通java的带buffer的io【快】33196秒
• 零拷贝
  • 零拷贝实现之mmap的io【快】7131秒
  • 零拷贝实现之sendfile的io【快】1784秒

• 分析原因之前，我们先来了解一下局部性原理

局部性原理：指计算机在执行某个程序时，倾向于使用最近使用的数据
时间局部性：如果程序中的某条指令一旦被执行，则不久的将来该指令可能再次被执行
空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久的将来附近的存储单元也有可能被访问

• 普通的IO和Buffer IO，为什么带有Buffer的IO要比普通的IO性能高？

每次读取数据的时候，系统根据局部性原理，通过DMA会读入更多的数据到内核缓冲区里面
OS根据局部性原理会在一次read()，系统调用过程中预读更多的文件数据缓存在内核IO缓冲区中
当继续访问的文件数据在缓冲区中时便直接拷贝数据到进程缓冲区，避免了再次的抵消磁盘IO操作
OS已经帮减少磁盘IO操作次数，提高了性能

• 两种零拷贝的方式对比

(1)sendfile无法在调用过程中修改数据，只适用于应用程序不需要对所访问数据进行处理修改情况，适合静态文件传输，MQ的Broker发送消息给消费者。适合大文件传输，2次上下文切换，最少2次数据拷贝。(2)mmap在mmap调用可以在应用程序中直接修改Page Cache中的数据，使用的是mmap+write两步。调用比sendfile成本高，但由于传统的拷贝方式，适用于多个线程以只读的方式同时访问同一个文件，mmap机制下多线程共享同一个物理内存空间，节约内存。适合小数据量续写，4次上下文切换，3次数据拷贝。

5.主流中间件中用到的ZeroCopy技术

（1）Nginx使用的是sendfile 零拷贝

• WebServer处理静态页面请求时，是从磁盘中读取网页的内容，因为sendfile不能在应用程序中修改数据，所以最适合静态文件服务器或者是直接转发数据的代理服务器。

（2）rocketmq主要是mmap，也有小部分使用sendfile

• rocketMQ在消息存盘和网络发送使用mmap, 单个CommitLog文件大小默认1GB
  • 要在用户进程内处理数据，然后再发送出去的话，用户空间和内核空间的数据传输就是不可避免的

（3）Kafka主要是sendfile，也有小部分使用mmap

• kafka 在客户端和 broker 进行数据传输时，broker 使用 sendfile 系统调用，类似 【FileChannel.transferTo】 API，将磁盘文件读到 OS 内核缓冲区后，直接转到 socket buffer 进行网络发送，即 Linux 的 sendfile。
  中读取网页的内容，因为sendfile不能在应用程序中修改数据，所以最适合静态文件服务器或者是直接转发数据的代理服务器。

（2）rocketmq主要是mmap，也有小部分使用sendfile

• rocketMQ在消息存盘和网络发送使用mmap, 单个CommitLog文件大小默认1GB
  • 要在用户进程内处理数据，然后再发送出去的话，用户空间和内核空间的数据传输就是不可避免的

（3）Kafka主要是sendfile，也有小部分使用mmap

• kafka 在客户端和 broker 进行数据传输时，broker 使用 sendfile 系统调用，类似 【FileChannel.transferTo】 API，将磁盘文件读到 OS 内核缓冲区后，直接转到 socket buffer 进行网络发送，即 Linux 的 sendfile。