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  • kafka零拷贝
    千次阅读
    2022-03-20 21:17:07

    想了解kafka的零拷贝到底是什么,可以看一下Kafka为什么这么快?
    如果看零拷贝和非拷贝之间的区别图可以看Kafka_Kafka中的Zero Copy

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  • Kafka零拷贝

    千次阅读 2022-05-17 17:08:29
    Kafka零拷贝 在实际应用中,如果需要把磁盘中的某个文件内容,发送到远程服务器上,那么他必须要经过几个拷贝的过程。 1,从磁盘读取目标文件内容,copy到内核缓冲去; 2, cpu控制器把内核缓冲区的数据, copy到...

    Kafka零拷贝

    在这里插入图片描述

    在实际应用中,如果需要把磁盘中的某个文件内容,发送到远程服务器上,那么他必须要经过几个拷贝的过程。
    1,从磁盘读取目标文件内容,copy到内核缓冲区;
    2, cpu控制器把内核缓冲区的数据, copy到用户空间的缓冲区中;
    3,在应用程序中,调用 write()方法,把用户空间缓冲区中的数据,拷贝到内核空间的Socket Buffer中;
    4,把内核模式下的Socket Buffer中的数据,复制到网卡缓冲区(NIC Buffer),
    最后, 网卡缓冲区再把数据传输到目标服务器上;
    在这个过程中,可以发现, 数据从磁盘到最终发出去,要经历4次拷贝,而在这四次拷贝过程中,
    有两次拷贝是浪费的。
        1.从内核空间拷贝到用户空间;
        2.从用户空间再次拷贝到内核空间;
    除此之外,由于用户空间和内核空间的切换,会带来Cpu上下文切换,对于Cpu的性能也会造成影响,
    
    而所谓的零拷贝,就是把这两次多余的拷贝忽略掉,应用程序可以直接把磁盘中的数据,
    从内核中直接传输到Socket, 而不需要再次经过应用程序所在的用户空间。
    零拷贝通过DMA(Direct Memory Access)技术,把文件内容 复制到内核空间中的Read Buffer,
    接着把包含数据长度和位置的信息文件描述符, 加载到 SocketBuffer 中,
    DMA引擎直接可以把数据从内核空间传递到网卡设备,在这个流程中,
    数据只经历了两次拷贝,就把数据发送到网卡中,并且减少了2次Cpu的上下文切换,
    对于效率是有非常大的提高。
    
    所以,所谓的零拷贝并不是完全没有数据的拷贝,只是相对用户空间来说,不需要再进行数据的拷贝。
    只是减少了不必要的拷贝次数而已。
    

    在应用程序中如何实现零拷贝

    linux系统中,零拷贝技术依赖于底层的sendfile()方法去实现的;
    而在java中,FileChannel.transferTo()方法的底层实现就是sendfile()方法;
    
    除此之外,还有一个mmap的文件映射机制,它的原理就是把磁盘文件映射到内存,
    用户通过修改内存就可以修个磁盘文件,使用这种方式,可以获得很大的I/O提升,
    省去了用户空间到内核空间的复制开销。
    

    以上就是对kafka零拷贝技术的理解

    展开全文
  • kafka零拷贝机制​

    千次阅读 2021-11-20 19:38:50
    转载:kafka零拷贝机制 - 风清_云淡 - 博客园 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,零拷贝不会kafka的专利,而是操作系统的升级,又比如Netty,也用到了零拷贝。 传统IO kafka的...

    转载:kafka零拷贝机制 - 风清_云淡 - 博客园

    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,零拷贝不会kafka的专利,而是操作系统的升级,又比如Netty,也用到了零拷贝。

    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又叫做缓存IO,效率是很低的,那么为什么效率低下呢?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)。

    操作系统的核心是内核,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,操作系统将虚拟空间划分为两部分,一部分为内核空间、一部分为用户空间。

    针对Linux操作系统而言,将最高的1G字节,供内核使用,称为内核空间,而将较低的3G字节,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(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,而不需要依赖于CPU的大量中断负载。

    通俗来讲,就是DMA传输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,这样极大的提高了效率。

    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。

    Kafka 零拷贝

            Linux 2.1版本内核引入了sendfile函数,用于将文件通过socket传送“零拷贝技术”只用将磁盘文件的数据复制到页面缓存中一次,然后将数据从页面缓存直接发送到网络中(发送给不同的订阅者时,都可以使用同一个页面缓存),避免了重复复制操作。

      如果有10个消费者,传统方式下,数据复制次数为4*10=40次,而使用“零拷贝技术”只需要1+10=11次,一次为从磁盘复制到页面缓存,10次表示10个消费者各自读取一次页面缓存。

    零拷贝并不是不需要拷贝,而是减少不必要的拷贝次数。

    聊聊传统IO流程

    比如:读取文件,再用socket发送出去
    传统方式实现:
    先读取、再发送,实际经过1~4四次copy。

    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application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。

    展开全文
  • kafka零拷贝技术详解

    2021-03-16 17:55:00
    所谓的零拷贝是指将数据直接从磁盘文件复制到网卡设备中,而不需要经由应用程序之手。零拷贝大大提高了应用程序的性能,减少了内核和用户模式之间的上下文切换。对 Linux 操作系统而言,零拷贝技术依赖于底层的 send...

    所谓的零拷贝是指将数据直接从磁盘文件复制到网卡设备中,而不需要经由应用程序之手。零拷贝大大提高了应用程序的性能,减少了内核和用户模式之间的上下文切换。对 Linux 操作系统而言,零拷贝技术依赖于底层的 sendfile()方法实现。

    对应于 Java 语言,FileChannal.transferTo() 方法的底层实现就是 sendfile() 方法。单纯从概念上理解“零拷贝”比较抽象,这里简单地介绍一下它。考虑这样一种常用的情形:你需要将静态内容(类似图片、文件)展示给用户。这个情形就意味着需要先将静态内容从磁盘中复制出来放到一个内存 buf 中,然后将这个buf 通过套接字(Socket)传输给用户,进而用户获得静态内容。这看起来再正常不过了,但实际上这是很低效的流程,我们把上面的这种情形抽象成下面的过程:

    read(file, tmp_buf, len);
    write(socket, tmp_buf, len);

    首先调用 read() 将静态内容(这里假设为文件 A )读取到 tmp_buf,然后调用 write()将 tmp_buf 写入 Socket,如下图所示。

    在这里插入图片描述
    在这个过程中,文件 A 经历了4次复制的过程:
    调用 read() 时,文件 A 中的内容被复制到了内核模式下的 Read Buffer 中。
    CPU 控制将内核模式数据复制到用户模式下。
    调用 write() 时,将用户模式下的内容复制到内核模式下的 Socket Buffer 中。
    将内核模式下的 Socket Buffer 的数据复制到网卡设备中传送。
    从上面的过程可以看出,数据平白无故地从内核模式到用户模式“走了一圈”,浪费了2次复制过程:第一次是从内核模式复制到用户模式;第二次是从用户模式再复制回内核模式,即上面4次过程中的第2步和第3步。而且在上面的过程中,内核和用户模式的上下文的切换也是4次。
    如果采用了零拷贝技术,那么应用程序可以直接请求内核把磁盘中的数据传输给 Socket,如下图所示。

    在这里插入图片描述
    零拷贝技术通过 DMA(Direct Memory Access)技术将文件内容复制到内核模式下的 Read Buffer 中。不过没有数据被复制到 Socket Buffer,相反只有包含数据的位置和长度的信息的文件描述符被加到 Socket Buffer 中。DMA 引擎直接将数据从内核模式中传递到网卡设备(协议引擎)。这里数据只经历了2次复制就从磁盘中传送出去了,并且上下文切换也变成了2次。零拷贝是针对内核模式而言的,数据在内核模式下实现了零拷贝。

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