通俗易懂的Kafka零拷贝机制_kafka零拷贝的原理

Kafka之所以那么快，其中一个很大的原因就是零拷贝（Zero-copy）技术，零拷贝不是kafka的专利，而是操作系统的升级，又比如Netty，也用到了零拷贝。下面我就画图讲解零拷贝，如果对你有帮助请点个赞支持。

传统IO

kafka的数据是要落入磁盘的，那么必然牵扯到磁盘的IO，传统磁盘IO又叫缓存IO，效率是很低的，那么为什么效率低呢？我们先来粗略讲讲操作系统的知识。

用户空间以及内核空间的概念：

我们知道现在操作系统都是采用虚拟存储器。那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操心系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核，保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间（Kernel space），一部分为用户空间（User space）。针对Linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间。

传统的文件读写或者网络传输，通常需要将数据从内核态转换为用户态。应用程序读取用户态内存数据，写入文件 / Socket之前，需要从用户态转换为内核态之后才可以写入文件或者网卡当中。我们可以称之为read/write模式，此模式的步骤为：

1. 首先，调用read时，磁盘文件拷贝到了内核态；
2. 之后，CPU控制将内核态数据copy到用户态下；
3. 调用write时，先将用户态下的内容copy到内核态下的socket的buffer中；
4. 最后将内核态下的socket buffer的数据copy到网卡设备中传送；

 DMA

DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问) 是所有现代电脑的重要特色，它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于 CPU 的大量中断负载 。通俗来讲，就是DMA 传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间，当CPU 初始化这个传输动作，传输动作本身是由 DMA 控制器来实行和完成，也就是两个硬件之间完成的，而没有CPU的参与，那么CPU就可以释放出来做别的事情，这样极大地提高了效率。我们常见的硬件设备如网卡、磁盘设备、显卡、声卡之类的都支持DMA。

所以上面所说的read/write模式大概如图所示：

传统IO有两个很大的缺点导致很慢：

1. 我们可以清楚的看到共产生了4次copy，从磁盘文件到Kernal的相互读写是支持DMA copy的，但即使是这样，从Kernal到User没有硬件的支持所以不支持DMA，还有两次CPU copy。
2. Kafka只是把文件存放到磁盘之后通过网络发出去，中间并不需要修改什么数据，那read和write的两次CPU copy的操作完全是多余的。

 零拷贝

mmap

mmap是零拷贝的一种，主要就是去掉read write这两次CPU copy以提升性能，调用mmap()来代替read调用：

buf = mmap(diskfd, len);
write(sockfd, buf, len);

此模式步骤为：

1. 用户程序调用 mmap()，磁盘上的数据会通过 DMA被拷贝的内核缓冲区；
2. 接着操作系统会把这段内核缓冲区与用户程序共享，这样就不需要把内核缓冲区的内容往用户空间拷贝；
3. 用户程序再调用 write()，操作系统直接将内核缓冲区的内容拷贝到 socket缓冲区中；
4. 最后， socket缓冲区再把数据发到网卡去。

这显然是一个伟大的进步，把上下文的切换次数从4次减少到2次，同时也把数据copy的次数从4次降低到了3次。

sendfile

Linux2.1内核开始引入了sendfile函数，用于将文件通过socket传送。开始时跟mmap没什么区别，但是Linux2.4做出了重大优化，将零拷贝推到顶峰。

优化后的处理过程如下：

1. 将文件拷贝到kernel buffer中；
2. 向socket buffer中追加当前要发生的数据在kernel buffer中的位置和偏移量；
3. 根据socket buffer中的位置和偏移量直接将kernel buffer的数据copy到网卡设备中；

如图：

经过上述过程，数据只经过了2次copy就从磁盘传送出去了。这个才是真正的Zero-Copy(这里的零拷贝是针对kernel来讲的，数据在kernel模式下是Zero-Copy)。

正是Linux2.4的内核做了改进，Java中的TransferTo()实现了Zero-Copy。

测试

在Windows10上测试：

测试结果仅供参考 ，并不是平均数，所以可能偏差较大。