彻底弄懂零拷贝、MMAP、堆外内存

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前言

零拷贝、MMAP、堆外内存傻傻搞不明白。0.0

要搞清这些概念前，需要先了解以下概念：

虚拟内存：将用户逻辑内存与物理内存分开。
内核态（Kernal Mode）：非特权区域, 在该区域执行的代码就不能直接访问硬件设备。用户进程所在区域。
用户态（User Mode）：内核有特别的权利，它能与设备控制器通讯, 控制着用户区域进程的运行状态。
DMA 直接内存存取（Direct Memory Access）：是一种允许外围设备（硬件子系统）直接访问系统主内存的机制。

接管了数据读写的工作，不需要 CPU 再参与 I/O 中断的处理，从而减轻了 CPU 的负担。

问题：为什要把数据从内核空间拷贝到用户空间 ?

硬件通常不能直接访问用户空间。
磁盘这种基于块存储的硬件设备操作的是固定大小的数据块, 而用户进程请求的可能是任意大小的或非对齐的数据块。
在数据往来于用户空间与存储设备的过程中, 内核负责数据的分解、再组合工作, 因此充当着中间人的角色。

问题：为什么只有内核态才能直接访问物理内存？

回答：区分为用户态和内核态，主要目的为了保护系统程序。

（1）标准 `I/O`

基本 I/O： 即不带缓冲区的 I/O, 如类Unix系统中常用的 I/O 函数有 : read() 和 write() 等。

标准 I/O： 在基本的 I/O 函数基础上增加了流和缓冲区的概念。

常用的函数有 : fopen() 、getc(), putc() 等
为了提高读写效率和保护磁盘, 使用了 页缓存机制（Page Cache）

模拟场景：从文件中读取数据，然后将数据传输到网上

从上图中可以看出，从数据读取到发送一共经历了四次数据拷贝，具体流程如下：

第一次数据拷贝： 当用户进程发起 read() 调用后，上下文从用户态切换至内核态。DMA 引擎从文件中读取数据，并存储到 Page Cache (内核态缓冲区)。
第二次数据拷贝： 请求的数据从内核态缓冲区拷贝到用户态缓冲区，然后返回给用户进程。同时会导致上下文从内核态再次切换到用户态。
第三次数据拷贝： 用户进程调用 send() 方法期望将数据发送到网络中，此时用户态会再次切换到内核态，请求的数据从用户态缓冲区被拷贝到 Socket 缓冲区。
第四次数据拷贝： send() 系统调用结束返回给用户进程，再次发生上下文切换。此次操作会异步执行，从 Socket 缓冲区拷贝到协议引擎中。

问题：为什么需要 Page Cache？

回答：充当缓存的作用，这样就可以实现文件数据的预读，提升 I/O 的性能。可以理解为：批量数据刷盘。

（2）零拷贝

那能不能减少数据拷贝的次数？ 能，使用零拷贝。

在 Linux 中系统调用 sendfile() 可以实现将数据从一个文件描述符传输到另一个文件描述符，从而实现了零拷贝技术。

在 Java 中也可以使用了零拷贝技术，主要是 NIO FileChannel 类中：

transferTo() 方法：可以将数据从 FileChannel 直接传输到另外一个 Channel。
transferFrom() 方法：将数据从 Channel 传输到 FileChannel。

模拟场景：从文件中读取数据，然后将数据传输到网上

从上图中可以看出，从数据读取到发送一共经历了三次数据拷贝，减少了一次，具体流程如下：

用户进程调用 FileChannel#transferTo()，上下文从用户态切换至内核态。
第一次数据拷贝：DMA 从文件中读取数据，并存储到 Page Cache。
第二次数据拷贝：CPU 将 Page Cache 中的数据拷贝到 Socket 缓冲区。
第三次数据拷贝：DMA 将 Socket 缓冲区数据拷贝到网卡进行数据传输。

案例：`Kafka` 写入日志

实际开发中，我们能发现 Kafka 写入数据时也用到零拷贝技术。

在 Kafka 源码中 MemoryRecords 的 writeTo 方法中可发现：

调用了 FileChannel 的 transferTo() 方法

public class FileRecords extends AbstractRecords implements Closeable {
    @Override
    public long writeTo(GatheringByteChannel destChannel, long offset, int length) 
        throws IOException {
        long newSize = Math.min(channel.size(), end) - start;
        int oldSize = sizeInBytes();
        if (newSize < oldSize)
            throw new KafkaException(String.format(
                "Size of FileRecords %s has been truncated during " +
                " write: old size %d, new size %d ",
                file.getAbsolutePath(), oldSize, newSize));

        long position = start + offset;
        int count = Math.min(length, oldSize);
        final long bytesTransferred;
        if (destChannel instanceof TransportLayer) {
            TransportLayer tl = (TransportLayer) destChannel;
            bytesTransferred = tl.transferFrom(channel, position, count);
        } else {
            // 重点：
            bytesTransferred = channel.transferTo(position, count, destChannel);
        }
        return bytesTransferred;
    }
}

更进一步：只需二次数据拷贝

能否继续减少内核中的数据拷贝次数呢？

在 Linux 2.4 版本之后，对 Socket缓冲区追加一些 Descriptor（文件描述符） 信息来进一步减少内核数据的复制。

Tips：这种方式的前提是硬件和相关驱动程序支持 DMA Gather Copy。

DMA 读取文件内容并拷贝到 Page Cache，然后并没有再拷贝到 Socket 缓冲区，只是将数据的长度以及位置信息被追加到 Socket 缓冲区，然后 DMA 根据这些描述信息，直接从内核缓冲区读取数据并传输到协议引擎中，从而消除一次 CPU 拷贝。

（3）`MMAP`

MMAP：是一种内存映射文件的方法, 可以将一个文件或者其他对象映射到进程的虚拟地址空间

实现文件磁盘地址和进程虚拟地址空间中某一段地址的一一对应。
这样应用程序就可以通过访问进程虚拟内存地址直接访问文件。

好处在于：

用户进程把文件数据当作内存, 所以无需发布 read() 或 write() 系统调用。
当用户进程碰触到映射内存空间, 页错误会自动产生, 从而将文件数据从磁盘读进内存。如果用户修改了映射内存空间, 相关页会自动标记为脏, 随后刷新到磁盘, 文件得到更新。
操作系统的虚拟内存子系统会对页进行智能高速缓存, 自动根据系统负载进行内存管理。
数据总是按页对齐的, 无需执行缓冲区拷贝。
大型文件使用映射, 无需耗费大量内存, 即可进行数据拷贝。

MMAP 操作文件：

MMAP为用户进程创建新的虚拟内存区域
建立文件磁盘地址和虚拟内存相关区域的映射 (这期间没有涉及任何的文件拷贝)
当用户进程访问数据时, 若无数据则发起缺页异常处理, 根据已经建立好的映射关系进行一次数据拷贝, 将磁盘中的文件数据读取到虚拟地址对应的内存中。

从内存视角再来看 MMAP：虚拟地址与物理内存

案例：`RocketMQ` 写入日志

MMAP 技术在进行文件映射的时候，一般有大小限制，在 1.5GB ~ 2GB之间。

RocketMQ 才让 CommitLog 单个文件在 1GB，ConsumeQueue 文件在 5.72MB，不会太大。

RocketMQ 的消息写入支持内存映射与 FileChannel 两种写入方式：根据 tranisentStorePoolEnable参数判断

false：先将消息写入到页缓存，然后根据刷盘机制持久化到磁盘。
true：数据会先写入到堆外内存，然后批量提交到 FileChannel，并最终根据刷盘策略将数据持久化到磁盘。

（4）堆外内存

如果在 JVM 内部执行 I/O 操作时，必须将数据拷贝到堆外内存，才能执行系统调用。

问题：为什么操作系统不能直接使用 JVM 堆内存进行 I/O 的读写呢？

原因有二：

操作系统并不感知 JVM 的堆内存，而且 JVM 的内存布局与操作系统所分配的是不一样的，操作系统并不会按照 JVM 的行为来读写数据。

同一个对象的内存地址随着 JVM GC 的执行可能会随时发生变化，例如 JVM GC 的过程中会通过压缩来减少内存碎片，这就涉及对象移动的问题了。

平时开发时，会使用 NIO 的 DirectBuffer 来创建堆外内存：

普通的 Buffer 分配的是 JVM 堆内存。
堆外内存 DirectBuffer 创建和销毁的代价相对较高，一般都会采用复用方式。
DirectBuffer 申请的内存并不是直接由 JVM 负责垃圾回收，但在 DirectBuffer 包装类被回收时，会通过 Java Reference 机制来释放该内存块。

案例：`Netty`

Netty 在进行 I/O 操作时都是使用的堆外内存，可以避免数据从 JVM 堆内存到堆外内存的拷贝。

总结

小结下：

拷贝方式	CPU 拷贝	DMA 拷贝	系统调用	上下文切换次数
标准 I/O	2	2	read/write	4
内存映射（`MMAP`）	1	2	mmap/write	4
零拷贝（`sendfile`）	1	2	sendfile	2
零拷贝（`sendfile DMA gather copy`）	0	2	sendfile	2