本篇内容主要讲解“数据拷贝的基础过程是什么”,感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷,实用性强。下面就让小编来带大家学习“数据拷贝的基础过程是什么”吧!
数据拷贝基础过程
在 Linux 系统内部缓存和内存容量都是有限的,更多的数据都是存储在磁盘中。
对于 Web 服务器来说,经常需要从磁盘中读取数据到内存,然后再通过网卡传输给用户:
上述数据流转只是大框,接下来看看几种模式:
①仅 CPU 方式
如上图:
当应用程序需要读取磁盘数据时,调用 read() 从用户态陷入内核态,read() 这个系统调用最终由 CPU 来完成。
CPU 向磁盘发起 I/O 请求,磁盘收到之后开始准备数据。
磁盘将数据放到磁盘缓冲区之后,向 CPU 发起 I/O 中断,报告 CPU 数据已经 Ready 了。
CPU 收到磁盘控制器的 I/O 中断之后,开始拷贝数据,完成之后 read() 返回,再从内核态切换到用户态。
②CPU&DMA 方式
CPU 的时间宝贵,让它做杂活就是浪费资源。
直接内存访问(Direct Memory Access),是一种硬件设备绕开 CPU 独立直接访问内存的机制。
所以 DMA 在一定程度上解放了 CPU,把之前 CPU 的杂活让硬件直接自己做了,提高了 CPU 效率。
目前支持 DMA 的硬件包括:网卡、声卡、显卡、磁盘控制器等。
有了 DMA 的参与之后的流程发生了一些变化:
最主要的变化是,CPU 不再和磁盘直接交互,而是 DMA 和磁盘交互并且将数据从磁盘缓冲区拷贝到内核缓冲区,之后的过程类似。
敲黑板:无论从仅 CPU 方式和 DMA&CPU 方式,都存在多次冗余数据拷贝和内核态&用户态的切换。
我们继续思考 Web 服务器读取本地磁盘文件数据再通过网络传输给用户的详细过程。
普通模式数据交互
一次完成的数据交互包括几个部分:系统调用 syscall、CPU、DMA、网卡、磁盘等。
系统调用 syscall 是应用程序和内核交互的桥梁,每次进行调用/返回就会产生两次切换:
调用 syscall,从用户态切换到内核态。
syscall 返回,从内核态切换到用户态。
来看下完整的数据拷贝过程简图:
读数据过程:
应用程序要读取磁盘数据,调用 read() 函数从而实现用户态切换内核态,这是第 1 次状态切换。
DMA 控制器将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区,这是第 1 次 DMA 拷贝。
CPU 将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区,这是第 1 次 CPU 拷贝。
CPU 完成拷贝之后,read() 函数返回实现用户态切换用户态,这是第 2 次状态切换。
写数据过程:
应用程序要向网卡写数据,调用 write() 函数实现用户态切换内核态,这是第 1 次切换。
CPU 将用户缓冲区数据拷贝到内核缓冲区,这是第 1 次 CPU 拷贝。
DMA 控制器将数据从内核缓冲区复制到 socket 缓冲区,这是第 1 次 DMA 拷贝。
完成拷贝之后,write() 函数返回实现内核态切换用户态,这是第 2 次切换。
综上所述:
读过程涉及 2 次空间切换、1 次 DMA 拷贝、1 次 CPU 拷贝。
写过程涉及 2 次空间切换、1 次 DMA 拷贝、1 次 CPU 拷贝。
可见传统模式下,涉及多次空间切换和数据冗余拷贝,效率并不高,接下来就该零拷贝技术出场了。
零拷贝技术
出现原因
我们可以看到,如果应用程序不对数据做修改,从内核缓冲区到用户缓冲区,再从用户缓冲区到内核缓冲区。
两次数据拷贝都需要 CPU 的参与,并且涉及用户态与内核态的多次切换,加重了 CPU 负担。
我们需要降低冗余数据拷贝、解放 CPU,这也就是零拷贝 Zero-Copy 技术。
解决思路
目前来看,零拷贝技术的几个实现手段包括:mmap+write、sendfile、sendfile+DMA 收集、splice 等。
①mmap 方式
mmap 是 Linux 提供的一种内存映射文件的机制,它实现了将内核中读缓冲区地址与用户空间缓冲区地址进行映射,从而实现内核缓冲区与用户缓冲区的共享。
这样就减少了一次用户态和内核态的 CPU 拷贝,但是在内核空间内仍然有一次 CPU 拷贝。
mmap 对大文件传输有一定优势,但是小文件可能出现碎片,并且在多个进程同时操作文件时可能产生引发 coredump 的 signal。
②sendfile 方式
mmap+write 方式有一定改进,但是由系统调用引起的状态切换并没有减少。
sendfile 系统调用是在 Linux 内核 2.1 版本中被引入,它建立了两个文件之间的传输通道。
sendfile 方式只使用一个函数就可以完成之前的 read+write 和 mmap+write 的功能,这样就少了 2 次状态切换,由于数据不经过用户缓冲区,因此该数据无法被修改。
从图中可以看到,应用程序只需要调用 sendfile 函数即可完成,只有 2 次状态切换、1 次 CPU 拷贝、2 次 DMA 拷贝。
但是 sendfile 在内核缓冲区和 socket 缓冲区仍然存在一次 CPU 拷贝,或许这个还可以优化。
③sendfile+DMA 收集
Linux 2.4 内核对 sendfile 系统调用进行优化,但是需要硬件 DMA 控制器的配合。
升级后的 sendfile 将内核空间缓冲区中对应的数据描述信息(文件描述符、地址偏移量等信息)记录到 socket 缓冲区中。
DMA 控制器根据 socket 缓冲区中的地址和偏移量将数据从内核缓冲区拷贝到网卡中,从而省去了内核空间中仅剩 1 次 CPU 拷贝。
这种方式有 2 次状态切换、0 次 CPU 拷贝、2 次 DMA 拷贝,但是仍然无法对数据进行修改,并且需要硬件层面 DMA 的支持,并且 sendfile 只能将文件数据拷贝到 socket 描述符上,有一定的局限性。
④splice 方式
splice 系统调用是 Linux 在 2.6 版本引入的,其不需要硬件支持,并且不再限定于 socket 上,实现两个普通文件之间的数据零拷贝。
splice 系统调用可以在内核缓冲区和 socket 缓冲区之间建立管道来传输数据,避免了两者之间的 CPU 拷贝操作。
splice 也有一些局限,它的两个文件描述符参数中有一个必须是管道设备。
到此,相信大家对“数据拷贝的基础过程是什么”有了更深的了解,不妨来实际操作一番吧!这里是编程网网站,更多相关内容可以进入相关频道进行查询,关注我们,继续学习!