CPU:别再拿我当搬砖工了!

数据搬运

Hi,我是CPU一号车间的阿Q,有段日子没见面了。

还记得上回说到咱们厂里用上了DMA技术(太慢不能忍!CPU又拿硬盘和网卡开刀了!)之后,我们总算解放了,再也不用奔波于网卡、硬盘与内存之间搬运数据了。

CPU:别再拿我当搬砖工了!插图

 

 

前段时间,我到二号车间虎子那里去串门,发现他正忙的满头大汗。

“老哥,你这是接到什么任务了?看把你给你忙的”

虎子一看我过来,擦了擦头上的汗说到:“我这是在搬运数据啊,刚刚搬完一批,累死我了”

我有些疑惑:“咱们现在不是有DMA技术了吗,找外包DMA控制器搬运啊,你干嘛还亲自上阵?”

“DMA是用于I/O外部设备与内存之间搬运数据,我现在的任务是内存之间的复制拷贝工作,这DMAC也帮不上什么忙啊,还不得我亲自动手复制。”

CPU:别再拿我当搬砖工了!插图(1)

 

 

我瘪了瘪嘴,“也是,但愿我不要接到这种任务”

“先不跟你聊了,又有活要干了”,虎子屁股还没坐热,又起身去忙了,我也起身准备回去。

“我靠!怎么又要拷贝这批数据!”,我刚走两步,就听到虎子的吐槽。

我回过头去问到:“咋了这是?”

“我刚才才把这份数据从内核地址空间往用户态地址空间拷贝了一次,这还没喘口气,又让我再搬一次从用户态再搬回内核地址空间,太折腾我了吧!”

我拍了拍他的肩膀说到:“嗨,这没办法,咱们就是打工的,哪轮得到咱们挑挑拣拣啊,加油吧!”

我一边给他打气,一边暗自祈祷别给我安排这种活,又累有没有技术含量。

天有不测风云,回到一号车间没多久,我也摊上这种事了。老话说得好,真是怕什么来什么。

一开始我还能忍着,时间一久我就抑制不住心里的不满了,还真是落在自己身上才知道痛。

数据的四次拷贝

第二天,我约上虎子去找操作系统内存管理部门反应这事。

内存管理部门居然踢皮球,说这事不归他们管,让我们找I/O部门,没办法,我们又来到I/O部门反应这事。

CPU:别再拿我当搬砖工了!插图(2)

 

 

I/O部门的人听完我们的抱怨,也很无奈:“两位,实在不是我们故意戏耍你们。之前让你们两次搬运数据实在没有办法,这是上边的应用程序要这样写的。他们要把硬盘上的文件读取出来,然后再通过网卡发送出去。这一读一写的不就要搬两次吗?”

File.read(file, buf, len);
Socket.send(socket, buf, len);

“硬盘?网卡?这,这,这我们不是有了DMA技术了吗,正好解决了和他们的数据传输,干嘛还另外让我们再在内存之间复制来复制去呢?”,我问到。

对方看出了我们的疑惑,在旁边的白板上画了一张图:

CPU:别再拿我当搬砖工了!插图(3)

 

 

“你们看,数据从硬盘最终到网卡,因为有应用程序的参与,他们需要先读到他们在用户空间的缓存区,再发送出去,这样就总共有四次数据的传输。其中从硬盘到内核空间和从内核空间到网卡这两个环节,DMAC可以帮你们搬运。不过剩下两次的用户空间和内核空间的来回拷贝,这还得靠你们来搬运下啊”

“原来是这样,唉,看来是没办法避免了,咱先回去吧”,虎子看完图垂头丧气的说到。

我却不愿放弃,想在这图中找出可以优化改进的地方。

CPU:别再拿我当搬砖工了!插图(4)

 

 

“能不能让数据不要去应用程序那里,直接在内核空间复制一次就好,我们就可以少搬运一次了?”,我抛出了一个问题。

“那怎么可能呢,他不读上去,后面怎么发出去呢?不行不行”,I/O部门的人连连摇头。

“还是可以发啊,你看像这样···反正最后也是把数据从内核空间交给网卡发,只是免去了数据去用户空间白晃一圈的浪费”,我把他画的图改了一下,不肯放弃解释到。

CPU:别再拿我当搬砖工了!插图(5)

 

 

对方被我的话点醒了一般,眼珠左右转动,反复思考。

片刻之后,回到:“还是不行,万一人家要对读取的文件数据进行修改,或者解密,那还是得读到他的用户空间缓存区才行”

我想了一下,这似乎没办法避免,说到:“那这种情况咱们就认了,反正以我的经验来看,你说的这种情况不多。大部分情况下都是数据原封不动的从内核到用户空间,又从用户空间回到内核。”

I/O部门的人再也没有什么说辞,点了点头答应了下来,说把我们的意见汇报到Linux帝国高层讨论后才能做决定。我们就先回去等消息了。

零拷贝技术

不过后来工作太忙,迟迟没有操作系统那边的消息,慢慢的我们就把这事给淡忘了,直到前几天······

“阿Q,听说了吗,最近Linux帝国新成立了一个公司,居然绕过我们CPU就能把数据从网卡写入硬盘中”,虎子火急火燎的来找我。

“不可能啊,按照我们之前的方案,怎么说也得至少经过我们拷贝一次吧”

“根本不用,他们号称是零拷贝技术

我们赶紧放下手里的工作,去打听下究竟怎么回事。

原来,Linux帝国最近新推出了一个API,叫sendfile

ssize_t sendfile(
  int out_fd, 
  int in_fd, 
  off_t *offset, 
  size_t count
  );

只需要指定打开文件的描述符和要发送的网络接口描述符,就直接实现了把文件通过网络发出去。

我们再次来到了操作系统I/O部门,对方一看是我们,热情的接待了我们。

“你们来的正好,我还没来得及告诉你们呢。上次你们提的思路非常好,帝国高层非常重视,我一反应上去,当即就采纳了你们的意见。这不你们估计也知道了,推出了新的API给应用程序们使用,省去了数据白白去用户空间转一圈的开销。一推出就大受欢迎,说起来还得感谢你们呢”

“原来是这样,我说最近怎么搬运数据的工作少了不少。不过你们是怎么做到零拷贝的?”

CPU:别再拿我当搬砖工了!插图(6)

 

 

I/O部门的人瞅了我们几眼,得意的一笑,“帝国高层在讨论你们的方案时,觉得还可以再进一步优化,直接把从硬盘读取到的数据缓冲区地址和长度给到网络socket描述符,就不用你们再搬运一次数据,彻底解放你们,所以叫零拷贝啦!”

我俩连连点头称赞。

“还没完呢!咱Linux帝国还把这一技术推广到了文件数据复制上,增加了另一个API:splice,以后文件拷贝也可以减轻你们的负担了”

ssize_t splice(
  int fd_in, 
  loff_t *off_in, 
  int fd_out,
  loff_t *off_out, 
  size_t len, 
  unsigned int flags
  );
 

我俩回去之后,把这一消息告知了全厂,大家都高兴坏了,原来各个车间都受苦久矣。

彩蛋1

在遥远的Windows帝国上。

“部长,听说Linux帝国推出了一个sendfile,号称零拷贝”

“有这回事?咱们不能落后,赶紧去研究一下”

彩蛋2

Linux帝国新来了一家公司,专注网络数据包分析业务。

“老大,数据包每次都要经过Linux帝国协议栈部门处理一遍才能拿到,这太慢了”

“能不能绕开协议栈,直接抓包?”

预知后事如何,请关注后续精彩······

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