redis17- MMAP内存映射 与 零拷贝sendFile

开篇

　　例如我们常见的 kafka、nginx 以及 tomcat 等底层都用的这类技术，这里暂且用 kafka 来列举案例。

　　当我们从 kafka 读取数据的时候，我们会调用 read 方法读取指定的内容，然后调用 write 方法，将字节流写到 socket 中，那么，我们调用这两个方法，在 OS 底层发生了什么呢？我这里画了一个图，尝试解释这个过程。

　　

　　以下步骤都是黑色线条标识的路线：

1. read 调用导致 用户态 到 内核态 的一次变化，同时，第一次复制开始：DMA（Direct Memory Access，直接内存存取，即不使用 CPU 拷贝数据到内存，而是 DMA 引擎传输数据到内存，用于解放 CPU） 引擎从磁盘读取指定内容，并将数据放入到内核缓冲区。

2. 发生第二次数据拷贝，即：将内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区，同时，发生了一次 内核态 到 用户态 的上下文切换。

3. 发生第三次数据拷贝，我们调用 write 方法，系统将 用户缓冲区 的数据拷贝到 Socket 缓冲区。此时，又发生了一次 用户态 到 内核态 的上下文切换。

4. 第四次拷贝，数据异步的从 Socket 缓冲区，使用 DMA 引擎拷贝到网络协议引擎。这一段，不需要进行上下文切换。

5. write 方法返回，再次从 内核态 切换 到用户态。

　　如你所见，复制拷贝操作太多了。如何优化这些流程？

mmap 内存映射优化

　　mmap 通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网络传输时，就可以减少 内核空间 到 用户空间 的拷贝次数。

　　

　　如上图，user buffer 和 kernel buffer 共享 data 数据。如果你想把硬盘的 data 数据传输到网络中，再也不用拷贝到用户空间，再从用户空间拷贝到 Socket 缓冲区。

　　现在，你只需要从 内核缓冲区 拷贝到 Socket 缓冲区即可，这将减少一次内存拷贝（从 4 次变成了 3 次），但不减少上下文切换次数。（这块需要大家再根据前面的讲解好好理解一下）

sendFile 零拷贝优化

　　其基本原理如下：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到 Socket Buffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换。看粉色的线条标识。

 　　如上图，我们进行 sendFile 系统调用时，数据被 DMA 引擎从文件复制到内核缓冲区，然后可以直接从内核缓冲区进入到 Socket，这时，是没有上下文切换的，因为在一个空间。

　　最后，数据从 Socket 缓冲区进入到协议栈。

　　此时，数据经过了 2 次拷贝，即：

　　第一次使用 DMA 引擎从文件拷贝到内核缓冲区，第二次从内核缓冲区将数据拷贝到网络协议栈；内核缓存区只会拷贝一些 offset 和 length 信息到 SocketBuffer，基本无消耗。

再稍微讲讲 mmap 和 sendFile 的区别。

1. mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。
2. mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝；sendFile 需要 3 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝。
3. sendFile 可以利用 DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）。

　　在这个选择上：rocketMQ 在消费消息时，使用了 mmap。kafka 使用了 sendFile。（可以思考下为什么 kafka 适合使用 sendFile？因为 kafka 大部分场景是使用消息队列，基本上没有复杂场景，就是一个数据的流转，所以适合数据进来直接被消费方读取走了，在这期间不需要做其他内部业务逻辑）

Java 世界的例子

kafka

　　kafka 在客户端和 broker 进行数据传输时，会使用 transferTo 和 transferFrom 方法，即对应 Linux 的 sendFile。
　　

tomcat

　　tomcat 内部在进行文件拷贝的时候，也会使用 transferto 方法。

　　

 　　tomcat 在处理一下心跳保活时，也会调用该 sendFile 方法。

　　

　　所以，如果你需要优化网络传输的性能，或者文件读写的速度，请尽量使用零拷贝。他不仅能较少复制拷贝次数，还能较少上下文切换，缓存行污染。