阿里二面:什么是mmap?(二)

发布于 2022-6-9 16:45
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sendfile

相比mmap来说,sendfile同样减少了一次CPU拷贝,而且还减少了2次上下文切换。

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sendfile是Linux2.1内核版本后引入的一个系统调用函数,通过使用sendfile数据可以直接在内核空间进行传输,因此避免了用户空间和内核空间的拷贝,同时由于使用sendfile替代了read+write从而节省了一次系统调用,也就是2次上下文切换。

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整个过程发生了2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sendfile()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. CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
  4. 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,sendfile调用返回
    sendfile方法IO数据对用户空间完全不可见,所以只能适用于完全不需要用户空间处理的情况,比如静态文件服务器。

sendfile+DMA Scatter/Gather

Linux2.4内核版本之后对sendfile做了进一步优化,通过引入新的硬件支持,这个方式叫做DMA Scatter/Gather 分散/收集功能。

它将读缓冲区中的数据描述信息--内存地址和偏移量记录到socket缓冲区,由 DMA 根据这些将数据从读缓冲区拷贝到网卡,相比之前版本减少了一次CPU拷贝的过程

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整个过程发生了2次用户态和内核态的上下文切换和2次拷贝,其中更重要的是完全没有CPU拷贝,具体流程如下:

  1. 用户进程通过sendfile()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控制器利用scatter把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区离散存储
  3. CPU把读缓冲区中的文件描述符和数据长度发送到socket缓冲区
  4. DMA控制器根据文件描述符和数据长度,使用scatter/gather把数据从内核缓冲区拷贝到网卡
  5. sendfile()调用返回,上下文从内核态切换回用户态
    DMA gather和sendfile一样数据对用户空间不可见,而且需要硬件支持,同时输入文件描述符只能是文件,但是过程中完全没有CPU拷贝过程,极大提升了性能。

应用场景
对于文章开头说的两个场景:RocketMQ和Kafka都使用到了零拷贝的技术。

对于MQ而言,无非就是生产者发送数据到MQ然后持久化到磁盘,之后消费者从MQ读取数据。

对于RocketMQ来说这两个步骤使用的是mmap+write,而Kafka则是使用mmap+write持久化数据,发送数据使用sendfile。

总结
由于CPU和IO速度的差异问题,产生了DMA技术,通过DMA搬运来减少CPU的等待时间。

传统的IOread+write方式会产生2次DMA拷贝+2次CPU拷贝,同时有4次上下文切换。

而通过mmap+write方式则产生2次DMA拷贝+1次CPU拷贝,4次上下文切换,通过内存映射减少了一次CPU拷贝,可以减少内存使用,适合大文件的传输。

sendfile方式是新增的一个系统调用函数,产生2次DMA拷贝+1次CPU拷贝,但是只有2次上下文切换。因为只有一次调用,减少了上下文的切换,但是用户空间对IO数据不可见,适用于静态文件服务器。

sendfile+DMA gather方式产生2次DMA拷贝,没有CPU拷贝,而且也只有2次上下文切换。虽然极大地提升了性能,但是需要依赖新的硬件设备支持。

 

 

文章转自公众号:艾小仙

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已于2022-6-9 16:45:17修改
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