2023-07-16：讲一讲Kafka与RocketMQ中零拷贝技术的运用？

moonfdd 的个人博客 / 42 / 1 / 创建于 9个月前

答案2023-07-16：

什么是零拷贝?

零拷贝(英语: Zero-copy) 技术是指计算机执行操作时，CPU不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域。这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。

➢零拷贝技术可以减少数据拷贝和共享总线操作的次数，消除传输数据在存储器之间不必要的中间拷贝次数，从而有效地提高数据传输效率

➢零拷贝技术减少了用户进程地址空间和内核地址空间之间因为上:下文切换而带来的开销

可以看出没有说不需要拷贝，只是说减少冗余[不必要]的拷贝。

下面这些组件、框架中均使用了零拷贝技术：Kafka、Netty、Rocketmq、Nginx、Apache。

传统数据传送机制

比如：读取文件，再用socket发送出去，实际经过四次copy。

伪码实现如下：

buffer = File.read()

Socket.send(buffer)

1、第一次：将磁盘文件，读取到操作系统内核缓冲区；

2、第二次：将内核缓冲区的数据，copy到应用程序的buffer；

3、第三步：将application应用程序buffer中的数据，copy到socket网络发送缓冲区(属于操作系统内核的缓冲区)；

4、第四次：将socket buffer的数据，copy到网卡，由网卡进行网络传输。

分析上述的过程，虽然引入DMA来接管CPU的中断请求，但四次copy是存在“不必要的拷贝”的。实际上并不需要第二个和第三个数据副本。应用程序除了缓存数据并将其传输回套接字缓冲区之外什么都不做。相反，数据可以直接从读缓冲区传输到套接字缓冲区。

显然，第二次和第三次数据copy 其实在这种场景下没有什么帮助反而带来开销(DMA拷贝速度一般比CPU拷贝速度快一个数量级)，这也正是零拷贝出现的背景和意义。

打个比喻：200M的数据，读取文件，再用socket发送出去，实际经过四次copy（2次cpu拷贝每次100ms ，2次DMS拷贝每次10ms）

传统网络传输的话：合计耗时将有220ms

mmap内存映射（RocketMQ使用的）

硬盘上文件的位置和应用程序缓冲区(application buffers)进行映射（建立一种一一对应关系），由于mmap()将文件直接映射到用户空间，所以实际文件读取时根据这个映射关系，直接将文件从硬盘拷贝到用户空间，只进行了一次数据拷贝，不再有文件内容从硬盘拷贝到内核空间的一个缓冲区。

mmap内存映射将会经历：3次拷贝: 1次cpu copy，2次DMA copy；

打个比喻：200M的数据，读取文件，再用socket发送出去，如果是使用MMAP实际经过三次copy（1次cpu拷贝每次100ms ，2次DMS拷贝每次10ms）合计只需要120ms

从数据拷贝的角度上来看，就比传统的网络传输，性能提升了近一倍。

RocketMQ源码中的MMAP运用

RocketMQ源码中，使用MappedFile这个类类进行MMAP的映射

Kafka中的零拷贝

Kafka两个重要过程都使用了零拷贝技术，且都是操作系统层面的狭义零拷贝，一是Producer生产的数据存到broker，二是 Consumer从broker读取数据。

Producer生产的数据持久化到broker，采用mmap文件映射，实现顺序的快速写入；

Customer从broker读取数据，采用sendfile，将磁盘文件读到OS内核缓冲区后，直接转到socket buffer进行网络发送。

sendfile

linux 2.1支持的sendfile

当调用sendfile()时，DMA将磁盘数据复制到kernel buffer，然后将内核中的kernel buffer直接拷贝到socket buffer。在硬件支持的情况下，甚至数据都并不需要被真正复制到socket关联的缓冲区内。取而代之的是，只有记录数据位置和长度的描述符被加入到socket缓冲区中，DMA模块将数据直接从内核缓冲区传递给协议引擎，从而消除了遗留的最后一次复制。

一旦数据全都拷贝到socket buffer，sendfile()系统调用将会return、代表数据转化的完成。socket buffer里的数据就能在网络传输了。

sendfile会经历：3次拷贝，1次CPU copy ，2次DMA copy；硬件支持的情况下，则是2次拷贝，0次CPU copy， 2次DMA copy。