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平時在面試中你肯定會經常碰見的問題就是：RocketMQ為什么快?Kafka為什么快?什么是mmap?

這一類的問題都逃不過的一個點就是零拷貝，雖然還有一些其他的原因，但是今天我們的話題主要就是零拷貝。

傳統IO

在開始談零拷貝之前，首先要對傳統的IO方式有一個概念。

基于傳統的IO方式，底層實際上通過調用read()和write()來實現。

通過read()把數據從硬盤讀取到內核緩沖區，再復制到用戶緩沖區;然后再通過write()寫入到socket緩沖區，最后寫入網卡設備。

整個過程發生了4次用戶態和內核態的上下文切換和4次拷貝，具體流程如下：

1. 用戶進程通過read()方法向操作系統發起調用，此時上下文從用戶態轉向內核態
2. DMA控制器把數據從硬盤中拷貝到讀緩沖區
3. CPU把讀緩沖區數據拷貝到應用緩沖區，上下文從內核態轉為用戶態，read()返回
4. 用戶進程通過write()方法發起調用，上下文從用戶態轉為內核態
5. CPU將應用緩沖區中數據拷貝到socket緩沖區
6. DMA控制器把數據從socket緩沖區拷貝到網卡，上下文從內核態切換回用戶態，write()返回

那么，這里指的用戶態、內核態指的是什么?上下文切換又是什么?

簡單來說，用戶空間指的就是用戶進程的運行空間，內核空間就是內核的運行空間。

如果進程運行在內核空間就是內核態，運行在用戶空間就是用戶態。

為了安全起見，他們之間是互相隔離的，而在用戶態和內核態之間的上下文切換也是比較耗時的。

從上面我們可以看到，一次簡單的IO過程產生了4次上下文切換，這個無疑在高并發場景下會對性能產生較大的影響。

那么什么又是DMA拷貝呢?

因為對于一個IO操作而言，都是通過CPU發出對應的指令來完成，但是相比CPU來說，IO的速度太慢了，CPU有大量的時間處于等待IO的狀態。

因此就產生了DMA(Direct Memory Access)直接內存訪問技術，本質上來說他就是一塊主板上獨立的芯片，通過它來進行內存和IO設備的數據傳輸，從而減少CPU的等待時間。

但是無論誰來拷貝，頻繁的拷貝耗時也是對性能的影響。

零拷貝

零拷貝技術是指計算機執行操作時，CPU不需要先將數據從某處內存復制到另一個特定區域，這種技術通常用于通過網絡傳輸文件時節省CPU周期和內存帶寬。

那么對于零拷貝而言，并非真的是完全沒有數據拷貝的過程，只不過是減少用戶態和內核態的切換次數以及CPU拷貝的次數。

這里，僅僅有針對性的來談談幾種常見的零拷貝技術。

mmap+write

mmap+write簡單來說就是使用mmap替換了read+write中的read操作，減少了一次CPU的拷貝。

mmap主要實現方式是將讀緩沖區的地址和用戶緩沖區的地址進行映射，內核緩沖區和應用緩沖區共享，從而減少了從讀緩沖區到用戶緩沖區的一次CPU拷貝。

整個過程發生了4次用戶態和內核態的上下文切換和3次拷貝，具體流程如下：

1. 用戶進程通過mmap()方法向操作系統發起調用，上下文從用戶態轉向內核態
2. DMA控制器把數據從硬盤中拷貝到讀緩沖區
3. 上下文從內核態轉為用戶態，mmap調用返回
4. 用戶進程通過write()方法發起調用，上下文從用戶態轉為內核態
5. CPU將讀緩沖區中數據拷貝到socket緩沖區
6. DMA控制器把數據從socket緩沖區拷貝到網卡，上下文從內核態切換回用戶態，write()返回

mmap的方式節省了一次CPU拷貝，同時由于用戶進程中的內存是虛擬的，只是映射到內核的讀緩沖區，所以可以節省一半的內存空間，比較適合大文件的傳輸。

sendfile

相比mmap來說，sendfile同樣減少了一次CPU拷貝，而且還減少了2次上下文切換。

sendfile是Linux2.1內核版本后引入的一個系統調用函數，通過使用sendfile數據可以直接在內核空間進行傳輸，因此避免了用戶空間和內核空間的拷貝，同時由于使用sendfile替代了read+write從而節省了一次系統調用，也就是2次上下文切換。

整個過程發生了2次用戶態和內核態的上下文切換和3次拷貝，具體流程如下：

1. 用戶進程通過sendfile()方法向操作系統發起調用，上下文從用戶態轉向內核態
2. DMA控制器把數據從硬盤中拷貝到讀緩沖區
3. CPU將讀緩沖區中數據拷貝到socket緩沖區
4. DMA控制器把數據從socket緩沖區拷貝到網卡，上下文從內核態切換回用戶態，sendfile調用返回

sendfile方法IO數據對用戶空間完全不可見，所以只能適用于完全不需要用戶空間處理的情況，比如靜態文件服務器。

sendfile+DMA Scatter/Gather

Linux2.4內核版本之后對sendfile做了進一步優化，通過引入新的硬件支持，這個方式叫做DMA Scatter/Gather 分散/收集功能。

它將讀緩沖區中的數據描述信息--內存地址和偏移量記錄到socket緩沖區，由 DMA 根據這些將數據從讀緩沖區拷貝到網卡，相比之前版本減少了一次CPU拷貝的過程

整個過程發生了2次用戶態和內核態的上下文切換和2次拷貝，其中更重要的是完全沒有CPU拷貝，具體流程如下：

1. 用戶進程通過sendfile()方法向操作系統發起調用，上下文從用戶態轉向內核態
2. DMA控制器利用scatter把數據從硬盤中拷貝到讀緩沖區離散存儲
3. CPU把讀緩沖區中的文件描述符和數據長度發送到socket緩沖區
4. DMA控制器根據文件描述符和數據長度，使用scatter/gather把數據從內核緩沖區拷貝到網卡
5. sendfile()調用返回，上下文從內核態切換回用戶態

DMA gather和sendfile一樣數據對用戶空間不可見，而且需要硬件支持，同時輸入文件描述符只能是文件，但是過程中完全沒有CPU拷貝過程，極大提升了性能。

應用場景

對于文章開頭說的兩個場景：RocketMQ和Kafka都使用到了零拷貝的技術。

對于MQ而言，無非就是生產者發送數據到MQ然后持久化到磁盤，之后消費者從MQ讀取數據。

對于RocketMQ來說這兩個步驟使用的是mmap+write，而Kafka則是使用mmap+write持久化數據，發送數據使用sendfile。

總結

由于CPU和IO速度的差異問題，產生了DMA技術，通過DMA搬運來減少CPU的等待時間。

傳統的IOread+write方式會產生2次DMA拷貝+2次CPU拷貝，同時有4次上下文切換。

而通過mmap+write方式則產生2次DMA拷貝+1次CPU拷貝，4次上下文切換，通過內存映射減少了一次CPU拷貝，可以減少內存使用，適合大文件的傳輸。

sendfile方式是新增的一個系統調用函數，產生2次DMA拷貝+1次CPU拷貝，但是只有2次上下文切換。因為只有一次調用，減少了上下文的切換，但是用戶空間對IO數據不可見，適用于靜態文件服務器。

sendfile+DMA gather方式產生2次DMA拷貝，沒有CPU拷貝，而且也只有2次上下文切換。雖然極大地提升了性能，但是需要依賴新的硬件設備支持。

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/

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