阿里二面:什么是mmap?(一)

发布于 2022-6-9 16:45
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平时在面试中你肯定会经常碰见的问题就是:RocketMQ为什么快?Kafka为什么快?什么是mmap?

这一类的问题都逃不过的一个点就是零拷贝,虽然还有一些其他的原因,但是今天我们的话题主要就是零拷贝。

传统IO
在开始谈零拷贝之前,首先要对传统的IO方式有一个概念。

基于传统的IO方式,底层实际上通过调用read()和write()来实现。

通过read()把数据从硬盘读取到内核缓冲区,再复制到用户缓冲区;然后再通过write()写入到socket缓冲区,最后写入网卡设备。

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整个过程发生了4次用户态和内核态的上下文切换和4次拷贝,具体流程如下:

  1. 用户进程通过read()方法向操作系统发起调用,此时上下文从用户态转向内核态
  2. DMA控制器把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区
  3. CPU把读缓冲区数据拷贝到应用缓冲区,上下文从内核态转为用户态,read()返回
  4. 用户进程通过write()方法发起调用,上下文从用户态转为内核态
  5. CPU将应用缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
  6. DMA控制器把数据从socket缓冲区拷贝到网卡,上下文从内核态切换回用户态,write()返回
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    那么,这里指的用户态、内核态指的是什么?上下文切换又是什么?

简单来说,用户空间指的就是用户进程的运行空间,内核空间就是内核的运行空间。

如果进程运行在内核空间就是内核态,运行在用户空间就是用户态。

为了安全起见,他们之间是互相隔离的,而在用户态和内核态之间的上下文切换也是比较耗时的。

从上面我们可以看到,一次简单的IO过程产生了4次上下文切换,这个无疑在高并发场景下会对性能产生较大的影响。

那么什么又是DMA拷贝呢?

因为对于一个IO操作而言,都是通过CPU发出对应的指令来完成,但是相比CPU来说,IO的速度太慢了,CPU有大量的时间处于等待IO的状态。

因此就产生了DMA(Direct Memory Access)直接内存访问技术,本质上来说他就是一块主板上独立的芯片,通过它来进行内存和IO设备的数据传输,从而减少CPU的等待时间。

但是无论谁来拷贝,频繁的拷贝耗时也是对性能的影响。

零拷贝
零拷贝技术是指计算机执行操作时,CPU不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域,这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。
那么对于零拷贝而言,并非真的是完全没有数据拷贝的过程,只不过是减少用户态和内核态的切换次数以及CPU拷贝的次数。

这里,仅仅有针对性的来谈谈几种常见的零拷贝技术。

mmap+write

mmap+write简单来说就是使用mmap替换了read+write中的read操作,减少了一次CPU的拷贝。

mmap主要实现方式是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射,内核缓冲区和应用缓冲区共享,从而减少了从读缓冲区到用户缓冲区的一次CPU拷贝。

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整个过程发生了4次用户态和内核态的上下文切换和3次拷贝,具体流程如下:

  1. 用户进程通过mmap()方法向操作系统发起调用,上下文从用户态转向内核态
  2. DMA控制器把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区
  3. 上下文从内核态转为用户态,mmap调用返回
  4. 用户进程通过write()方法发起调用,上下文从用户态转为内核态
  5. CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
  6. DMA控制器把数据从socket缓冲区拷贝到网卡,上下文从内核态切换回用户态,write()返回
    mmap的方式节省了一次CPU拷贝,同时由于用户进程中的内存是虚拟的,只是映射到内核的读缓冲区,所以可以节省一半的内存空间,比较适合大文件的传输。

 

文章转自公众号:艾小仙

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已于2022-6-9 16:45:28修改
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