零拷贝原理-中断和DMA

为何要懂零拷贝原理？因为rocketmq存储核心使用的就是零拷贝原理。

1. io读写的方式

   1. 中断
   2. DMA

2. 中断方式

   1. 中断方式的流程图如下：

      
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      1. 用户进程发起数据读取请求
      2. 系统调度为该进程分配cpu
      3. cpu向io控制器(ide,scsi)发送io请求
      4. 用户进程等待io完成，让出cpu
      5. 系统调度cpu执行其他任务
      6. 数据写入至io控制器的缓冲寄存器
      7. 缓冲寄存器满了向cpu发出中断信号
      8. cpu读取数据至内存

   2. 缺点：中断次数取决于缓冲寄存器的大小

3. DMA ： 直接内存存取

   1. DMA方式的流程图如下：

      
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      1. 用户进程发起数据读取请求
      2. 系统调度为该进程分配cpu
      3. cpu向DMA发送io请求
      4. 用户进程等待io完成，让出cpu
      5. 系统调度cpu执行其他任务
      6. 数据写入至io控制器的缓冲寄存器
      7. DMA不断获取缓冲寄存器中的数据（需要cpu时钟）
      8. 传输至内存（需要cpu时钟）
      9. 所需的全部数据获取完毕后向cpu发出中断信号

   2. 优点：减少cpu中断次数，不用cpu拷贝数据

4. 数据拷贝

   1. 下面展示了 传统方式读取数据后并通过网络发送 所发生的数据拷贝：

      
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      1. 一个read系统调用后，DMA执行了一次数据拷贝，从磁盘到内核空间
      2. read结束后，发生第二次数据拷贝，由cpu将数据从内核空间拷贝至用户空间
      3. send系统调用，cpu发生第三次数据拷贝，由cpu将数据从用户空间拷贝至内核空间(socket缓冲区)
      4. send系统调用结束后，DMA执行第四次数据拷贝，将数据从内核拷贝至协议引擎
      5. 另外，这四个过程中，每个过程都发生一次上下文切换

   2. 内存缓冲数据，主要是为了提高性能，内核可以预读部分数据，当所需数据小于内存缓冲区大小时，将极大的提高性能。

   3. 零拷贝是为了消除这个过程中冗余的拷贝

5. 零拷贝-sendfile 对应到java中
   为FileChannel.transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)//将数据从文件通道传输到了给定的可写字节通道

   1. 避免了第2，3步的数据拷贝，参考下图：

      
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      1. DMA从拷贝至内核缓冲区
      2. cpu将数据从内核缓冲区拷贝至内核空间(socket缓冲区)
      3. DMA将数据从内核拷贝至协议引擎
      4. 这三个过程中共发生2次上下文切换，分别为发起读取文件和发送数据

   2. 以上过程发生了三次数据拷贝，其中有一次为cpu完成

   3. linux内核2.4以后，socket缓冲区做了调整，DMA带收集功能，如下图：

      
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      1. DMA从拷贝至内核缓冲区
      2. 将数据的位置和长度的信息的描述符增加至内核空间(socket缓冲区)
      3. DMA将数据从内核拷贝至协议引擎

6. 零拷贝-mmap 对应到java中
   为MappedByteBuffer//文件内存映射

   1. 数据不会复制到用户空间，只在内核空间，与sendfile类似，但是应用程序可以直接操作该内存。

7. 关于I/O内存映射：

        设备通过控制总线，数据总线，状态总线与CPU相连。控制总数传送控制信号，例如，网卡的启用。数据总线控制数据传输，例如，网卡发送数据，状态总数一般都是读取设备的当前状态，例如读取网卡的MAC地址。
   
        在传统的操作中，都是通过读写设备寄存器的值来实现。但是这样耗费了CPU时钟。而且每取一次值都要读取设备寄存器，造成了效率的低下。在现代操作系统中。引用了I/O内存映射。即把寄存器的值映身到主存。对设备寄存器的操作，转换为对主存的操作，这样极大的提高了效率。
   

8. 关于DMA：
   这是关于设备数据处理的一种方式。传统的处理方法为：当设备接收到数据，向CPU报告中断。CPU处理中断，把数据放到内存。在现代操作系统中引入的DMA是指，设备接收到数据时，把数据放至DMA内存，再向CPU产生中断。这样节省了大量的CPU时间。

9. DMA技术的出现，使得外围设备可以通过DMA控制器直接访问内存，与此同时，CPU可以继续执行程序．那么DMA控制器与CPU怎样分时使用内存呢?
   通常采用以下三种方法：(1)停止CPU访内；(2)周期挪用；(3)DMA与CPU交替访内存．
   1.停止CPU访问内存当外围设备要求传送一批数据时，由DMA控制器发一个停止信号给CPU，要求CPU放弃对地址总线、数据总线和有关控制总线的使用权．DMA控制器获得总线控制权以后，开始进行数据传送．在一批数据传送完毕后，DMA控制器通知CPU可以使用内存，并把总线控制权交还给CPU是这种传送方式的时间图．很显然，在这种DMA传送过程中CPU基本处于不工作状态或者说保持状态．
   优点: 控制简单，它适用于数据传输率很高的设备进行成组传送.
   缺点: 在DMA控制器访内阶段，内存的效能没有充分发挥，相当一部分内存工作周期是空闲的。这是因为，外围设备传送两个数据之间的间隔一般总是大于内存存储周期，即使高速I/O设备也是如此。例如，软盘读出一个8位二进制数大约需要32us，而半导体内存的存储周期小于0.5us，因此许多空闲的存储周期不能被CPU利用．
   2.周期挪用：当I/O设备没有DMA请求时，CPU按程序要求访问内存；一旦I/O设备有DMA请求，则由I/O设备挪用一个或几个内存周期。I/O设备要求DMA传送时可能遇到两种情况：
   (1)此时CPU不需要访内，如CPU正在执行乘法指令。由于乘法指令执行时间较长，此时I/O访内与CPU访内没有冲突，即I/O设备挪用一二个内存周期对CPU执行程序没有任何影响。
   (2)I/O设备要求访内时CPU也要求访内，这就产生了访内冲突，在这种情况下I/O设备访内优先，因为I/O访内有时间要求，前一个I/O数据必须在下一个访内请求到来之前存取完毕。显然，在这种情况下I/O 设备挪用一二个内存周期，意味着CPU延缓了对指令的执行，或者更明确地说，在CPU执行访内指令的过程中插入DMA请求，挪用了一二个内存周期。与停止CPU访内的DMA方法比较，周期挪用的方法既实现了I/O传送，又较好地发挥了内存和CPU的效率，是一种广泛采用的方法。但是I/O设备每一次周期挪用都有申请总线控制权、建立线控制权和归还总线控制权的过程，所以传送一个字对内存来说要占用一个周期，但对DMA控制器来说一般要2—5个内存周期(视逻辑线路的延迟而定)。因此，周期挪用的方法适用于I/O设备读写周期大于内存存储周期的情况。
   3.DMA与CPU交替访内如果CPU的工作周期比内存存取周期长很多，此时采用交替访内的方法可以使DMA传送和CPU同时发挥最高.