Go 语言中的零拷贝

传统读写模式

1. 第一次数据拷贝: 用户进程发起 read() 系统调用，当前上下文从用户态切换至内核态，DMA(Direct Memory Access) 引擎从文件中读取数据，并存储到内核态缓冲区 (DMA 拷贝)
2. 第二次数据拷贝: 将数据从内核态缓冲区拷贝到用户态缓冲区 (CPU 拷贝)，然后返回给用户进程，拷贝数据时会发生一次上下文切换 (从内核态切换到用户态)
3. 第三次数据拷贝: 用户进程发起 write() 系统调用，当前上下文从用户态切换至内核态，数据从用户态缓冲区被拷贝到 Socket 缓冲区 (CPU 拷贝)
4. 第四次数据拷贝: write() 系统调用结束返回到用户进程，当前上下文从内核态切换至用户态，第四次数据拷贝为异步执行，从 Socket 缓冲区拷贝到网卡 (DMA 拷贝)

transferTo

transferTo() 和 send() 类似，也是一个系统调用，用于在文件之间高效地传输数据。

transferTo 在操作系统层面实现了零拷贝技术，允许将数据直接从一个文件传输到另一个文件，而无需通过用户空间进行中转。

1. 第一次数据拷贝: 用户进程发起 transferTo() 调用，将文件数据拷贝到一个 Read buffer（内核态）中，当前上下文从用户态切换至内核态
2. 第二次数据拷贝: 内核将 Read buffer 中的数据拷贝到 Socket 缓冲区
3. 第三次数据拷贝: 数据从 Socket 缓冲区拷贝到网卡，当前上下文从内核态切换至用户态

相比较于传统的读写模式, transferTo 把上下文的切换次数从 4 次减少到 2 次，同时把数据拷贝的次数从 4 次降低到了 3 次， 虽然已经前进了一大步，但是作为过渡阶段，transferTo 距离零拷贝还有一些距离。

零拷贝

零拷贝是相对于用户态来讲的，数据在用户态不发生任何拷贝。

sendfile + DMA

sendfile() 是作用于两个文件描述符之间的数据拷贝的系统调用，这个拷贝操作是直接在内核中进行的，没有用户态到内核态的数据拷贝和上下文切换带来的开销，所以称为零拷贝技术。

Linux2.4 内核对 sendfile 系统调用做了改进:

1. 用户进程发起 sendfile() 系统调用，当前上下文从用户态切换至内核态，DMA 将数据拷贝到内核缓冲区
2. 向 Socket 缓冲区中发送当前数据在内核缓冲区的地址和偏移量两个值
3. 根据 Socket 缓冲区的地址和偏移量，直接将内核缓冲区的数据拷贝到网卡，当前上下文从内核态切换至用户态

相比较于传统的读写模式, sendfile + DMA 把上下文的切换次数从 4 次减少到 2 次，同时把数据拷贝的次数从 4 次降低到了 2 次 (2 次均为 DMA 拷贝)，完全消除了数据从用户态和内核态之间拷贝数据带来的开销。

sendfile + DMA 虽然已经足够高效，但是依然存在两个不足之处:

1. 方案本身需要引入新的硬件支持
2. 输入文件描述符仅支持文件类型

splice

针对 sendfile + DMA 方案存在的不足，Linux 引入了 splice() 系统调用, splice() 不需要硬件支持，能够实现在任意的两个文件描述符时之间传输数据。

splice() 是基于管道缓冲区机制实现的，所以两个参数文件描述符必须有一个是管道设备。在实际开发中，splice() 作为实现零拷贝的首选，因此 sendfile() 的内部实现也替换为了 splice()。

Go 语言中的零拷贝

现在有了前文的理论基础后，我们来看下在 Go 语言中标准库的零拷贝方法原型和应用方法，笔者的 Go 版本为 go1.19 linux/amd64。

sendfile

sendfile 的方法原型为 syscall.Sendfile，文件路径为 syscall/syscall_unix.go。

func Sendfile(outfd int, infd int, offset *int64, count int) (written int, err error)

一个简单的使用示例:

package main

import (
 "fmt"
 "os"
 "syscall"
)

func main() {
 // 设置源文件
 src, err := os.Open("/tmp/source.txt")
 if err != nil {
  panic(err)
 }
 defer src.Close()

 // 设置目标文件
 target, err := os.Create("/tmp/target.txt")
 if err != nil {
  panic(err)
 }
 defer target.Close()

 // 获取源文件的文件描述符
 srcFd := int(src.Fd())

 // 获取目标文件的文件描述符
 targetFd := int(target.Fd())

 // 使用 Sendfile 实现零拷贝 (拷贝 10 个字节)
 // 如果因为字符编码导致的字符截断问题 (如中文乱码问题), 结果自动保留到截断前的最后完整字节
 // 例如文件内容为 “星期三四五六七”，count 参数为 4, 那么只会拷贝第一个字 (一个汉字 3 个字节)
 // 但是需要注意的是，方法的返回值 written 不受影响 (和 count 参数保持一致)
 // 所以实际开发中，第三个参数 offset 必须设置正确，否则就可能引起乱码或数据丢失问题
 n, err := syscall.Sendfile(targetFd, srcFd, nil, 4)
 if err != nil {
  fmt.Println(err)
  return
 }

 fmt.Printf("写入字节数: %d", n)
}

splice

splice 的方法原型为 syscall.Splice，文件路径为 syscall/zsyscall_linux_amd64.go。

func Splice(rfd int, roff *int64, wfd int, woff *int64, len int, flags int) (n int64, err error)

一个简单的使用示例:

package main

import (
 "fmt"
 "os"
 "syscall"
)

func main() {
 // 设置源文件
 src, err := os.Open("/tmp/source.txt")
 if err != nil {
  panic(err)
 }
 defer src.Close()

 // 设置目标文件
 target, err := os.Create("/tmp/target.txt")
 if err != nil {
  panic(err)
 }
 defer target.Close()

 // 创建管道文件
 // 作为两个文件传输数据的中介
 pipeReader, pipeWriter, err := os.Pipe()
 if err != nil {
  panic(err)
 }
 defer pipeReader.Close()
 defer pipeWriter.Close()

 // 设置文件读写模式
 // 笔者在标准库中没有找到对应的常量说明
 // 读者可以参考这个文档:
 //   https://pkg.go.dev/golang.org/x/sys/unix#pkg-constants
 //   SPLICE_F_NONBLOCK = 0x2
 spliceNonBlock := 0x02

 // 使用 Splice 将数据从源文件描述符移动到管道 writer
 _, err = syscall.Splice(int(src.Fd()), nil, int(pipeWriter.Fd()), nil, 1024, spliceNonBlock)

 if err != nil {
  panic(err)
 }

 // 使用 Splice 将数据从管道 reader 移动到目标文件描述符
 n, err := syscall.Splice(int(pipeReader.Fd()), nil, int(target.Fd()), nil, 1024, spliceNonBlock)
 if err != nil {
  panic(err)
 }

 fmt.Printf("写入字节数: %d", n)
}

扩展阅读

• Why Kafka Is so Fast^[1]
• Efficient data transfer through zero copy^[2]
• Optimizing Large File Transfers in Linux with Go — An Exploration of TCP and Syscall^[3]
• directio^[4]
• 图解|零拷贝 Zero-Copy 技术大揭秘
• Go 语言中的零拷贝优化^[5]
• Linux I/O 原理和 Zero-copy 技术全面揭秘^[6]
• 零拷贝技术第一篇：综述^[7]
• 浅析 Go IO 的知识框架
• direct io^[8]
• sys/unix^[9]
• sendfile^[10]
• splice^[11]
• zerocopy^[12]

链接