Linux でのいくつかのゼロコピー テクノロジと適用可能なシナリオについて話しましょう

この記事では、主要なゼロコピー テクノロジと、Linux でゼロコピー テクノロジが適用されるシナリオについて説明します。ゼロコピーの概念を迅速に確立するために、一般的に使用されるシナリオを紹介します。

#引用

接続されたソケットからサーバーのホスト ディスク内のファイルを変更せずに送信します。 、通常は次のコードを使用して完了します。

while((n = read(diskfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)
    write(sockfd, buf , n);

socket に送信します。ただし、Linux の I/O 操作はデフォルトでバッファリングされた I/O であるためです。ここで使用される 2 つの主なシステム コールは read と write ですが、オペレーティング システムがそれらの中で何を行うかはわかりません。実際、上記の I/O 操作では、複数のデータ コピーが発生しました。

read によると、システム コールによって提供される buf アドレスは、カーネル バッファの内容を buf で指定されたユーザー空間バッファにコピーします。そうでない場合、オペレーティング システムはまずディスク上のデータをカーネル バッファにコピーします。このステップは現在主に DMA を使用して送信し、その後カーネル バッファの内容をユーザー バッファにコピーします。 次に、
write システム コールはユーザー バッファの内容をネットワーク スタックに関連するカーネル バッファにコピーし、最後に socket がカーネル バッファの内容を on に送信します。ネットワークカード。 ここまで言いましたが、より明確にするために写真を見たほうがよいでしょう:

上の写真からわかるように、合計 4 つのデータ コピーが生成されます。ハードウェアとの通信を処理するために
DMA が使用されている場合でも、CPU は依然として 2 つのデータ コピーを処理する必要があります。同時に、ユーザー モードで複数のコンテキスト スイッチが発生し、カーネル モードでは、間違いなく CPU の負荷が増大します。

ゼロコピーテクノロジーとは何ですか?

CPU によるストレージ間でのデータのコピーを回避することです。主な目的は、さまざまなゼロ コピー テクノロジを使用して、回避 CPU は不要なコピーを減らすために大量のデータ コピー タスクを実行するか、この種の単純なデータ転送タスクを他のコンポーネントに実行させて、CPU を解放して他のタスクに集中させます。これにより、システム リソースをより効率的に使用できるようになります。

#) も導入され、データ転送が不要になります。ユーザー スペースを介して

mmap を使用する

##コピー数を減らす 1 つの方法読み取り呼び出しの代わりに mmap() を呼び出すことです:

buf = mmap(diskfd, len);
write(sockfd, buf, len);

アプリケーションは mmap() を呼び出し、ディスク上のデータは DMA を通じてカーネル バッファにコピーされます。カーネル バッファはアプリケーションと共有されるため、カーネル バッファの内容をユーザー空間にコピーする必要はありません。次に、アプリケーションは write() を呼び出し、オペレーティング システムはカーネル バッファの内容を socket バッファに直接コピーします。これはすべてカーネル状態で発生します。ソケット バッファはデータをネットワーク カードに送信します。 同様に、図を見ると非常に簡単です:

mmap の使用にはコストがかかります。 mmap を使用すると、いくつかの隠れた罠に遭遇する可能性があります。たとえば、プログラム map がファイルをマップしているときに、そのファイルが別のプロセスによって切り捨てられる (truncate) 場合、書き込みシステム コールは SIGBUS シグナルによって終了します。不正なアドレスです。 SIGBUS シグナルは、デフォルトでプロセスを強制終了し、coredump を生成します。この方法でサーバーが停止すると、損失が発生します。

通常我们使用以下解决方案避免这种问题：

1、为SIGBUS信号建立信号处理程序
当遇到SIGBUS信号时，信号处理程序简单地返回，write系统调用在被中断之前会返回已经写入的字节数，并且errno会被设置成success,但是这是一种糟糕的处理办法，因为你并没有解决问题的实质核心。

2、使用文件租借锁
通常我们使用这种方法，在文件描述符上使用租借锁，我们为文件向内核申请一个租借锁，当其它进程想要截断这个文件时，内核会向我们发送一个实时的RT_SIGNAL_LEASE信号，告诉我们内核正在破坏你加持在文件上的读写锁。这样在程序访问非法内存并且被SIGBUS杀死之前，你的write系统调用会被中断。write会返回已经写入的字节数，并且置errno为success。

我们应该在mmap文件之前加锁，并且在操作完文件后解锁：

if(fcntl(diskfd, F_SETSIG, RT_SIGNAL_LEASE) == -1) {
    perror("kernel lease set signal");
    return -1;
}
/* l_type can be F_RDLCK F_WRLCK  加锁*/
/* l_type can be  F_UNLCK 解锁*/
if(fcntl(diskfd, F_SETLEASE, l_type)){
    perror("kernel lease set type");
    return -1;
}

使用sendfile#####

从2.1版内核开始，Linux引入了sendfile来简化操作:

#include<sys>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);</sys>

系统调用sendfile()在代表输入文件的描述符in_fd和代表输出文件的描述符out_fd之间传送文件内容（字节）。描述符out_fd必须指向一个套接字，而in_fd指向的文件必须是可以mmap的。这些局限限制了sendfile的使用，使sendfile只能将数据从文件传递到套接字上，反之则不行。
使用sendfile不仅减少了数据拷贝的次数，还减少了上下文切换，数据传送始终只发生在kernel space。

在我们调用sendfile时，如果有其它进程截断了文件会发生什么呢？假设我们没有设置任何信号处理程序，sendfile调用仅仅返回它在被中断之前已经传输的字节数，errno会被置为success。如果我们在调用sendfile之前给文件加了锁，sendfile的行为仍然和之前相同，我们还会收到RT_SIGNAL_LEASE的信号。

目前为止，我们已经减少了数据拷贝的次数了，但是仍然存在一次拷贝，就是页缓存到socket缓存的拷贝。那么能不能把这个拷贝也省略呢？

借助于硬件上的帮助，我们是可以办到的。之前我们是把页缓存的数据拷贝到socket缓存中，实际上，我们仅仅需要把缓冲区描述符传到socket缓冲区，再把数据长度传过去，这样DMA控制器直接将页缓存中的数据打包发送到网络中就可以了。

总结一下，sendfile系统调用利用DMA引擎将文件内容拷贝到内核缓冲区去，然后将带有文件位置和长度信息的缓冲区描述符添加socket缓冲区去，这一步不会将内核中的数据拷贝到socket缓冲区中，DMA引擎会将内核缓冲区的数据拷贝到协议引擎中去，避免了最后一次拷贝。

不过这一种收集拷贝功能是需要硬件以及驱动程序支持的。

使用splice#####

sendfile只适用于将数据从文件拷贝到套接字上，限定了它的使用范围。Linux在2.6.17版本引入splice系统调用，用于在两个文件描述符中移动数据：

#define _GNU_SOURCE         /* See feature_test_macros(7) */
#include <fcntl.h>
ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out, loff_t *off_out, size_t len, unsigned int flags);</fcntl.h>

splice调用在两个文件描述符之间移动数据，而不需要数据在内核空间和用户空间来回拷贝。他从fd_in拷贝len长度的数据到fd_out，但是有一方必须是管道设备，这也是目前splice的一些局限性。flags参数有以下几种取值：

• SPLICE_F_MOVE: データをコピーするのではなく、データを移動してみてください。これはカーネルに対するちょっとした注意事項です。カーネルが pipe からデータを移動できない場合、または pipe のキャッシュがフル ページでない場合でも、データをコピーする必要があります。 Linux の初期実装にはいくつかの問題があったため、このオプションは 2.6.21 からは機能しなくなり、後の Linux バージョンで実装する必要があります。
• ** SPLICE_F_NONBLOCK** : splice 操作はブロックされません。ただし、ファイル記述子がノンブロッキング I/O 用に設定されていない場合は、splice の呼び出しがブロックされる可能性があります。
• ** SPLICE_F_MORE**: 後続の splice 呼び出しにはさらに多くのデータが含まれます。

スプライス呼び出しは、Linux によって提案されたパイプ バッファー メカニズムを利用するため、少なくとも 1 つの記述子がパイプである必要があります。

上記のゼロコピー テクノロジはすべて、ユーザー空間とカーネル空間の間のデータのコピーを削減することによって実装されていますが、場合によっては、ユーザー空間とカーネル空間の間でデータをコピーする必要があります。現時点では、ユーザー空間とカーネル空間でのデータコピーのタイミングについてのみ作業できます。 Linux は通常、システム オーバーヘッドを削減するために copy on write(コピー オン ライト) を使用します。このテクノロジは、COW と呼ばれることがよくあります。

紙面の都合上、この記事ではコピーオンライトについては詳しく紹介しません。一般的な説明は次のとおりです: 複数のプログラムが同時に同じデータにアクセスする場合、各プログラムはそのデータへのポインタを持ちます。各プログラムの観点から見ると、このデータは独立して所有されます。データの内容が変更されると、そのデータの内容はプログラム自身のアプリケーション空間にコピーされ、初めてそのデータはプログラムのプライベート データになります。プログラムがデータを変更する必要がない場合、データを独自のアプリケーション空間にコピーする必要はありません。これにより、データのコピーが削減されます。執筆中にコピーしたコンテンツは、別の記事を書くために使用できます。 。 。

さらに、ゼロコピー テクノロジがいくつかあります。たとえば、従来の Linux I/O に O_DIRECT マークを追加すると、直接 I/O が可能になり、自動キャッシュと、未熟な fbufs テクノロジが必要です。この記事では、すべてのゼロコピー テクノロジをカバーしているわけではありません。一般的なテクノロジをいくつか紹介するだけです。興味がある場合は、自分で勉強してください。一般的に、成熟したサーバー プロジェクトも独自のカーネルを変更し、システムの I/O 部分のデータ転送速度が向上します。

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