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面試官:說說零拷貝的實現原理?

來源: 責編: 時間:2024-03-22 08:54:16 178觀看
導讀零拷貝(Zero-copy)技術是一種計算機操作系統中用于提高數據傳輸效率的優化策略。在傳統的數據傳輸過程中,需要將數據從一個緩沖區拷貝到另一個緩沖區,然后再傳輸給目標。這涉及到多次的 CPU 和內存之間的數據拷貝操作,會消

零拷貝(Zero-copy)技術是一種計算機操作系統中用于提高數據傳輸效率的優化策略。在傳統的數據傳輸過程中,需要將數據從一個緩沖區拷貝到另一個緩沖區,然后再傳輸給目標。這涉及到多次的 CPU 和內存之間的數據拷貝操作,會消耗 CPU 的時間和內存帶寬。而零拷貝技術通過直接共享數據的內存地址,避免了中間的拷貝過程,從而提高了數據傳輸的效率。rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

1.傳統 IO 執行流程

要搞明白零拷貝技術就要先搞清楚傳統 IO 的執行流程,傳統的 IO 的執行流程如下:rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

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(1)用戶態和內核態

操作系統有用戶態和內核態之分,這是因為計算機體系結構中的操作系統設計了兩個不同的執行環境,以提供不同的功能和特權級別。rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

  • 用戶態(User Mode)是指應用程序運行時的執行環境。在用戶態下,應用程序只能訪問受限資源,如應用程序自身的內存空間、CPU 寄存器等,并且不能直接訪問操作系統的底層資源和硬件設備。
  • 內核態(Kernel Mode)是指操作系統內核運行時的執行環境。在內核態下,操作系統具有更高的權限,可以直接訪問系統的硬件和底層資源,如 CPU、內存、設備驅動程序等。

(2)DMA

DMA(Direct Memory Access,直接內存訪問)技術,繞過 CPU,直接在內存和外設之間進行數據傳輸。這樣可以減少 CPU 的參與,提高數據傳輸的效率。rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

2.零拷貝技術的實現

零拷貝技術可以利用 Linux 下的 MMap、sendFile 等手段來實現,使得數據能夠直接從磁盤映射到內核緩沖區,然后通過 DMA 傳輸到網卡緩存,整個過程中 CPU 只負責管理和調度,而無需執行實際的數據復制指令。rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

(1)MMap

MMap(Memory Map)是 Linux 操作系統中提供的一種將文件映射到進程地址空間的一種機制,通過 MMap 進程可以像訪問內存一樣訪問文件,而無需顯式的復制操作。rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

使用 MMap 可以把 IO 執行流程優化成以下執行步驟:rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

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傳統的 IO 需要四次拷貝和四次上下文(用戶態和內核態)切換,而 MMap 只需要三次拷貝和四次上下文切換,從而能夠提升程序整體的執行效率,并且節省了程序的內存空間。rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

(2)senFile 方法

在 Linux 操作系統中 sendFile() 是一個系統調用函數,用于高效地將文件數據從內核空間直接傳輸到網絡套接字(Socket)上,從而實現零拷貝技術。這個函數的主要目的是減少 CPU 上下文切換以及內存復制操作,提高文件傳輸性能。rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

使用 sendFile() 可以把 IO 執行流程優化成以下執行步驟:rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

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3.哪些地方用到了零拷貝技術?

在 Java 中,以下幾個地方使用了零拷貝技術:rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

NIO(New I/O)通道:java.nio.channels.FileChannel 提供了 transferTo() 和 transferFrom() 方法,可以直接將數據從一個通道傳輸到另一個通道,例如從文件通道直接傳輸到 Socket 通道,整個過程無需將數據復制到用戶空間緩沖區,從而實現了零拷貝。rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

Socket Direct Buffer:在 JDK 1.4 及更高版本中,Java NIO 支持使用直接緩沖區(DirectBuffer),這類緩沖區是在系統堆外分配的,可以直接由網卡硬件進行 DMA 操作,減少數據在用戶態與內核態之間復制次數 ,提高網絡數據發送效率。rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

Apache Kafka 或者 Netty 等高性能框架:這些框架在底層實現上通常會利用 Java NIO 的上述特性來優化數據傳輸,如 Kafka 生產者和消費者在傳輸消息時會用到零拷貝技術以提升性能。rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

小結

使用零拷貝技術可以減少 CPU 拷貝,及減少了上下文的切換帶來的性能開銷,提高了程序的整體執行效率,它們的區別對比如下表格所示:rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com


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CPU 拷貝/次數rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

DMA 拷貝/次數rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

上下文切換/次數rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

傳統 IOrqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

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MMaprqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

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sendFile()rqW28資訊網——每日最新資訊28at.com

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