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2024-09-25
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sendfile、aio和directIO

# sendfile、aio和directio

# 零拷贝的种类

Sendfile：

  • 在 Linux 和其他 Unix 系统中，sendfile() 系统调用可以直接将文件内容从文件描述符发送到网络套接字，而无需在用户空间中进行数据拷贝。这对于文件传输和网络服务非常有效。

Mmap：

  • mmap() 系统调用可以将文件映射到进程的虚拟内存空间，从而允许应用程序直接访问文件内容，而无需使用传统的读写调用。这使得文件的访问速度更快，并且可以与其他零拷贝机制结合使用。

Receive-Files：

  • 与 sendfile() 类似，某些系统（如 Windows）也提供类似的机制来接收文件，避免了在用户空间的拷贝。

Scatter-Gather I/O：

  • 通过一次系统调用，允许将数据分散到多个缓冲区中，或从多个缓冲区聚集数据。这减少了多次系统调用的开销，适用于网络通信和文件处理。

Kernel-Bypass：

  • 一些高级技术（如 DPDK、RDMA）允许应用程序绕过操作系统内核直接与网络硬件交互，从而实现更高效的数据传输。

Direct I/O：

  • 允许应用程序直接对磁盘进行 I/O 操作，避免操作系统的缓存。这在需要高性能文件系统的场景中非常有用。

# sendfile零拷贝

零拷贝（zero-copy）是一种数据传输技术，它可以在不涉及 CPU 的数据拷贝的情况下将数据从一个存储区域传输到另一个存储区域。这种技术通常用于优化高性能网络应用程序和文件系统，因为它可以减少 CPU 的负担并提高数据传输速度。

# sendfile

linux 里查看sendfile函数的定义man sendfile：

image-20240924212347299

read+send 系统调用发送文件经过的拷贝过程：

  1. read系统调用产生一次上下文切换：从用户态切换到内核态；
  2. DMA 执行拷贝，把文件内容拷贝到内核缓冲区 Page Cache；
  3. CPU 把文件内容从 Page Cache 拷贝到用户缓冲区；
  4. read系统调用返回，从内核态切换到用户态；
  5. write系统调用从用户态切换至内核态；
  6. CPU 把文件内容从用户缓冲区拷贝至 Socket 发送缓存区；
  7. write系统调用返回，从内核态切换到用户态；
  8. DMA 执行拷贝，把文件内容从 Socket 发送缓存区拷贝至网卡。

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sendfile 系统调用发送文件的过程：

  1. sendfile系统调用产生一次上下文切换：从用户态切换到内核态；
  2. DMA 执行拷贝，把文件内容拷贝到内核缓冲区 Page Cache；
  3. sendfile系统调用返回，从内核态切换到用户态；
  4. CPU 把文件内容从 Page Cache 拷贝至 Socket 发送缓存区；
  5. DMA 执行拷贝，把文件内容从 Socket 发送缓存区拷贝至网卡。

sendfile-sendfile.drawio

使用 DMA 技术可以进一步减少 CPU 拷贝：

  1. sendfile系统调用产生一次上下文切换：从用户态切换到内核态；
  2. DMA 执行拷贝，把文件内容拷贝到内核缓冲区 Page Cache；
  3. sendfile系统调用返回，从内核态切换到用户态；
  4. DMA 执行拷贝，把文件内容从 Page Cache 拷贝至网卡。

sendfile-sendfile.drawio

# sendfile的优缺点

优点

  1. 高性能：由于直接在内核中传输数据，避免了用户空间与内核空间之间的多次上下文切换，减少了 CPU 的负担。例如 Kafka 和 nginx 就使用 sendfile 做性能优化。
  2. 减少内存使用率：不要将文件数据拷贝到用户空间，降低了内存的占用，适合处理大文件。

缺点

  1. 灵活性限制：只能处理特定的文件描述符（如 socke 和文件），不支持一般的 I/O 操作。
  2. 不能对数据处理：由于数据的整个阶段都在内核中进行，不会拷贝到用户空间，程序不能对数据进行二次处理。
  3. 错误处理复杂：由于数据传输在内核中进行，调试和错误处理可能相对复杂。

# Go 程序实现零拷贝

在 Go 中实现零拷贝的方法主要涉及以下两个方面：

  1. 文件传输

    Go 语言的标准库中提供了一些与文件传输相关的函数，例如io.Copy()，可以将一个Reader中的数据复制到一个 Writer 中。这个过程中，数据会在内存中进行复制，不符合零拷贝的要求。

    为了实现零拷贝的文件传输，可以使用 os.File 中的 ReadFrom() 和 WriteTo() 方法。这两个方法可以直接将文件中的数据读取到一个 Writer 中，或者将一个 Reader 中的数据写入到文件中，而不需要将数据先复制到内存中。

    例如，下面的代码演示了如何使用 ReadFrom() 和 WriteTo() 实现文件复制：

    goCopy codesrc, err := os.Open("srcfile")
if err != nil {
    // handle error
}
defer src.Close()

dst, err := os.Create("dstfile")
if err != nil {
    // handle error
}
defer dst.Close()

_, err = dst.ReadFrom(src)
if err != nil {
    // handle error
}
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  2. 网络传输

    在 Go 中实现零拷贝的网络传输可以使用 net 包中的一些函数和结构体。

    例如，net 包中提供了 net.TCPConn 结构体，它包含了一个与 TCP 连接相关的文件描述符（fd），可以使用这个 fd 实现零拷贝的网络传输。

    具体来说，可以使用 syscall 包中的 sendfile() 函数，将一个文件描述符中的数据直接传输到另一个文件描述符中，避免了中间的内存复制过程。

    例如，下面的代码演示了如何使用 sendfile() 实现网络文件传输：

    goCopy codesrc, err := os.Open("srcfile")
if err != nil {
    // handle error
}
defer src.Close()

conn, err := net.Dial("tcp", "example.com:80")
if err != nil {
    // handle error
}
defer conn.Close()

// get the file descriptor of the connection
tcpConn, ok := conn.(*net.TCPConn)
if !ok {
    // handle error
}
fd, err := tcpConn.FileDescriptor()
if err != nil {
    // handle error
}

// transfer the file descriptor to the sendfile function
n, err := syscall.Sendfile(int(fd), int(src.Fd()), nil, 1024)
if err != nil {
    // handle error
}
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# mmap实现零拷贝

mmap是一种共享内存的方法，将文件或其他对象（如公共物理内存）映射到进程的虚拟内存地址空间。这种内存映射使得文件的内容可以像数组一样直接访问，提供不同进程之间的内存共享和高效的文件 I/O 操作。

sendfile-sendfile.drawio

sendfile-sendfile.drawio

# mmap的原理

  1. 虚拟内存：每个进程在 Linux 中都有自己的虚拟地址空间。mmap 允许将文件或设备的内容映射到这个虚拟地址空间的一部分。

  2. 页管理：Linux 内核使用分页管理内存。mmap 将文件的部分或全部内容映射到内存页中。读取或写入这些映射的地址实际上是对文件的操作。

  3. 内存共享：多个进程可以通过 mmap 共享同一个文件。这使得进程之间能够方便地共享数据。

  4. 延迟加载：文件的内容并不会立即加载到内存中。只有在访问映射的地址时，内核才会从文件中读取数据（惰性加载）。

  5. 文件修改：如果使用 MAP_SHARED 标志映射文件，修改映射区域会直接影响文件内容；如果使用 MAP_PRIVATE，则会在修改时创建一个私有副本。

# 使用示例

下面是一个简单的示例，演示如何使用 mmap：

#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 获取文件大小
    off_t size = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    lseek(fd, 0, SEEK_SET);

    // 映射文件到内存
    char *map = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (map == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 访问和修改映射区域
    printf("File content: %s\n", map);
    map[0] = 'H'; // 修改文件内容

    // 解除映射
    if (munmap(map, size) == -1) {
        perror("munmap");
    }

    close(fd);
    return 0;
}
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这个示例打开一个文件，将其内容映射到内存中，并修改文件的第一个字符。通过 mmap，可以高效地处理文件内容，而不需要使用传统的读写操作。

# 应用场景

mmap 在 Linux 中有多种应用场景，主要包括以下几个方面：

  1. 文件 I/O 优化

    • 大文件处理：通过内存映射，可以直接访问大文件的部分内容，而无需将整个文件读入内存，节省内存和时间。

    • 高效读取：对于频繁访问的文件，mmap 可以减少系统调用的开销，提高性能。

  2. 进程间通信 (IPC)

    • 共享内存：多个进程可以通过 mmap 映射同一文件或设备，实现数据的共享和通信。使用 MAP_SHARED 可以保证数据的一致性。例如 nginx 中就用到了 mmap实现master进程与worker进程中间的进程间通信。

  3. 动态库加载

    • 库文件映射：操作系统可以通过 mmap 映射共享库文件到进程的地址空间，从而实现动态链接和加载，节省内存使用。

  4. 虚拟内存管理

    • 分页文件：操作系统可以使用 mmap 将交换空间映射到进程的地址空间，管理虚拟内存。

  5. 存储设备访问

    • 设备文件映射：可以将设备文件（如 /dev/mem）映射到内存，以便直接访问硬件设备。

  6. 文件系统实现

    • 文件系统缓存：一些文件系统（如 FUSE）使用 mmap 提供对文件的直接访问，提高了性能。

这些应用场景显示了 mmap 的灵活性和高效性，使其在处理大数据、进程间通信和系统资源管理等方面发挥了重要作用。

# mmap的优缺点

优点

  1. 高效性：减少了文件 I/O 的系统调用次数，通过内存直接访问文件内容，提高了性能。
  2. 易用性：可以像数组一样访问文件数据，简化了编程模型。
  3. 共享内存：支持多个进程共享同一映射区域，方便进程间通信。
  4. 延迟加载：只在访问时加载数据，节省内存。

缺点

  1. 复杂性：错误处理和映射管理可能较为复杂，尤其是在多进程环境中。
  2. 资源限制：映射的内存区域受限于系统的虚拟内存大小，可能导致映射失败。
  3. 数据一致性：使用 MAP_SHARED 时，多个进程可能导致数据不一致，需要额外同步机制。
  4. 不适合小文件：对于小文件，使用 mmap 可能引入额外开销，不如传统读写操作简单高效。

# aio

相对于同步 IO，异步 IO（Asychronous IO） 不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。IO 两个阶段，进程都是非阻塞的。

# 原理

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  1. 第一阶段：
    1. 用户进程调用aio_read，创建信号回调函数
    2. 内核等待数据就绪
    3. 用户进程无需阻塞，可以做任何事情
  2. 第二阶段：
    1. 内核数据就绪
    2. 内核数据拷贝到用户缓冲区
    3. 拷贝完成，内核递交信号触发aio_read中的回调函数
    4. 用户进程处理数据

# aio的优缺点

优点：

  1. 高性能：用户进程不需要被阻塞着，可以干其他事，提高了性能
  2. 非阻塞：不再像非阻塞 IO 那样需要轮询来检查 IO 是否就绪，而是由系统信号来通知

缺点：

  1. IO 效率低时容易系统崩溃：在高并发场景下，因为 IO 效率较低，所以会积累很多任务在系统中，容易导致系统崩溃。（可以用限流等方式解决，但是实现方式繁琐复杂）

# direct IO

Direct IO 即直接 IO（直接读取文件，不经过系统缓存），默认情况下，用户进程读取文件时，操作系统都会用到内核提供的 Page Cache 来加速文件的读取，例如 MySQL 的预读；但是有些情况下使用操作系统提高的 Page Cache 可能会对用户进程起着反作用，例如高并发的 Nginx 传输大文件，由于大文件频繁地占据着 Page Cache，导致其他小文件（例如 JavaScript、HTML 和图片等静态文件）不能缓存命中，此时 Page Cache 变成了摆设，这时候就需要配置 Direct IO 来避免大文件缓存到 Page Cache，避免缓存失效和降低内存的使用。

img

# 优缺点

Direct IO 绕过 Page Cache，减少了 Page Cache 和用户数据复制次数，降低了文件读写所带来的 CPU 负载能力和内存带宽的占用率。然而，Direct IO 并非没有缺点。首先，不经过内存缓冲区直接进行磁盘读写操作，必然会引起阻塞，因而需要将 Direct IO 与异步 IO（AIO）一起使用。然后，除了缓存外，内核（IO 调度算法）会试图缓存尽量多的连续 IO 在 PageCache 中，最后合并成一个更大的 IO 再发给磁盘，这样可以减少磁盘的寻址操作，内核也会预读后续的 IO 放在 PageCache 中，减少磁盘操作。Direct IO 绕过了 Page Cache，所以无法享受 Page Cache 所带来的性能提升。

优点

  1. 降低 CPU 和内存负载：由于 Direct IO 绕过来 Page Cache 的拷贝，可以降低文件读写带来的 CPU 负载和内存压力
  2. 对高并发大文件读写友好：大文件难以命中 PageCache 缓存，又带来额外的内存拷贝，同时还挤占了小文件使用 PageCache 时需要的内存，使用 Direct IO 可以减少 PageCache 被占用的缺点。

缺点

  1. 无法利用缓存：由于 Direct IO 绕过了 Page Cache，所以无法利用 Page Cache 预读和 IO 聚合特性。

# 小结

  • sendfile零拷贝技术可以有效的降低 CPU 负载，减少上下文切换和内存的占用，使用在读取大文件时使用。例如 Kafka 使用sendfile实现高性能的文件读取，Nginx通过利用sendfile系统调用，Nginx消除了文件描述符之间的冗余数据复制，从而最大限度地减少了 CPU 的使用。
  • mmap既可以提供零拷贝也可以提供进程间通信，对于频繁访问的文件，mmap 可以减少系统调用的开销，提高性能。例如Nginx通过mmap使用master与worker进程的内存共享，master就读取的配置文件worker也可以看到。
  • aio一般与DirectIO配合使用，适合高并发大文件的传输。例如Nginx通过aio和DirectIO优化高并发下大文件的传输，提搞 Page Cache 命中率。

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上次更新: 2024/09/25, 23:44:41
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