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learn.lianglianglee.com/专栏/深入浅出计算机组成原理/48 DMA：为什么Kafka这么快？.md.html
周伟 48163c6373 y
2022-05-11 18:52:13 +08:00

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<div class="book-post">
<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>48 DMA：为什么Kafka这么快？</h1>
<p>过去几年里，整个计算机产业届，都在尝试不停地提升 I/O 设备的速度。把 HDD 硬盘换成 SSD 硬盘，我们仍然觉得不够快；用 PCI Express 接口的 SSD 硬盘替代 SATA 接口的 SSD 硬盘，我们还是觉得不够快，所以，现在就有了傲腾（Optane）这样的技术。</p>
<p>但是，无论 I/O 速度如何提升，比起 CPU，总还是太慢。SSD 硬盘的 IOPS 可以到 2 万、4 万，但是我们 CPU 的主频有 2GHz 以上，也就意味着每秒会有 20 亿次的操作。</p>
<p>如果我们对于 I/O 的操作，都是由 CPU 发出对应的指令，然后等待 I/O 设备完成操作之后返回，那 CPU 有大量的时间其实都是在等待 I/O 设备完成操作。</p>
<p>但是，这个 CPU 的等待，在很多时候，其实并没有太多的实际意义。我们对于 I/O 设备的大量操作，其实都只是把内存里面的数据，传输到 I/O 设备而已。在这种情况下，其实 CPU 只是在傻等而已。特别是当传输的数据量比较大的时候，比如进行大文件复制，如果所有数据都要经过 CPU，实在是有点儿太浪费时间了。</p>
<p>因此，计算机工程师们，就发明了 DMA 技术，也就是<strong>直接内存访问</strong>（Direct Memory Access）技术，来减少 CPU 等待的时间。</p>
<h2>理解 DMA，一个协处理器</h2>
<p>其实 DMA 技术很容易理解，本质上，DMA 技术就是我们在主板上放一块独立的芯片。在进行内存和 I/O 设备的数据传输的时候，我们不再通过 CPU 来控制数据传输，而直接通过<strong>DMA 控制器</strong>（DMA Controller，简称 DMAC）。这块芯片，我们可以认为它其实就是一个<strong>协处理器</strong>（Co-Processor）。</p>
<p><strong>DMAC 最有价值的地方体现在，当我们要传输的数据特别大、速度特别快，或者传输的数据特别小、速度特别慢的时候。</strong></p>
<p>比如说，我们用千兆网卡或者硬盘传输大量数据的时候，如果都用 CPU 来搬运的话，肯定忙不过来，所以可以选择 DMAC。而当数据传输很慢的时候，DMAC 可以等数据到齐了，再发送信号，给到 CPU 去处理，而不是让 CPU 在那里忙等待。</p>
<p>好了，现在你应该明白 DMAC 的价值，知道了它适合用在什么情况下。那我们现在回过头来看。我们上面说，DMAC 是一块“协处理器芯片”，这是为什么呢？</p>
<p>注意，这里面的“协”字。DMAC 是在“协助”CPU，完成对应的数据传输工作。在 DMAC 控制数据传输的过程中，我们还是需要 CPU 的。</p>
<p>除此之外，DMAC 其实也是一个特殊的 I/O 设备，它和 CPU 以及其他 I/O 设备一样，通过连接到总线来进行实际的数据传输。总线上的设备呢，其实有两种类型。一种我们称之为<strong>主设备</strong>（Master），另外一种，我们称之为<strong>从设备</strong>（Slave）。</p>
<p>想要主动发起数据传输，必须要是一个主设备才可以，CPU 就是主设备。而我们从设备（比如硬盘）只能接受数据传输。所以，如果通过 CPU 来传输数据，要么是 CPU 从 I/O 设备读数据，要么是 CPU 向 I/O 设备写数据。</p>
<p>这个时候你可能要问了，那我们的 I/O 设备不能向主设备发起请求么？可以是可以，不过这个发送的不是数据内容，而是控制信号。I/O 设备可以告诉 CPU，我这里有数据要传输给你，但是实际数据是 CPU 从拉走的，而不是 I/O 设备推给 CPU 的。</p>
<p><img src="assets/6388a8322103eb4d4db288d68aaa3db4.jpeg" alt="img" /></p>
<p>不过，DMAC 就很有意思了，它既是一个主设备，又是一个从设备。对于 CPU 来说，它是一个从设备；对于硬盘这样的 IO 设备来说呢，它又变成了一个主设备。那使用 DMAC 进行数据传输的过程究竟是什么样的呢？下面我们来具体看看。</p>
<p>\1. 首先，CPU 还是作为一个主设备，向 DMAC 设备发起请求。这个请求，其实就是在 DMAC 里面修改配置寄存器。</p>
<p>2.CPU 修改 DMAC 的配置的时候，会告诉 DMAC 这样几个信息：</p>
<ul>
<li>首先是<strong>源地址的初始值以及传输时候的地址增减方式</strong>。
所谓源地址，就是数据要从哪里传输过来。如果我们要从内存里面写入数据到硬盘上，那么就是要读取的数据在内存里面的地址。如果是从硬盘读取数据到内存里，那就是硬盘的 I/O 接口的地址。
我们讲过总线的时候说过，I/O 的地址可以是一个内存地址，也可以是一个端口地址。而地址的增减方式就是说，数据是从大的地址向小的地址传输，还是从小的地址往大的地址传输。</li>
<li>其次是<strong>目标地址初始值和传输时候的地址增减方式</strong>。目标地址自然就是和源地址对应的设备，也就是我们数据传输的目的地。</li>
<li>第三个自然是<strong>要传输的数据长度</strong>，也就是我们一共要传输多少数据。</li>
</ul>
<p>\3. 设置完这些信息之后，DMAC 就会变成一个空闲的状态（Idle）。</p>
<p>\4. 如果我们要从硬盘上往内存里面加载数据，这个时候，硬盘就会向 DMAC 发起一个数据传输请求。这个请求并不是通过总线，而是通过一个额外的连线。</p>
<p>\5. 然后，我们的 DMAC 需要再通过一个额外的连线响应这个申请。</p>
<p>\6. 于是，DMAC 这个芯片，就向硬盘的接口发起要总线读的传输请求。数据就从硬盘里面，读到了 DMAC 的控制器里面。</p>
<p>\7. 然后，DMAC 再向我们的内存发起总线写的数据传输请求，把数据写入到内存里面。</p>
<p>8.DMAC 会反复进行上面第 6、7 步的操作，直到 DMAC 的寄存器里面设置的数据长度传输完成。</p>
<p>\9. 数据传输完成之后，DMAC 重新回到第 3 步的空闲状态。</p>
<p>所以，整个数据传输的过程中，我们不是通过 CPU 来搬运数据，而是由 DMAC 这个芯片来搬运数据。但是 CPU 在这个过程中也是必不可少的。因为传输什么数据，从哪里传输到哪里，其实还是由 CPU 来设置的。这也是为什么，DMAC 被叫作“协处理器”。</p>
<p><img src="assets/c9ed34b47b0cd33867c581772d8eff8e.jpeg" alt="img" /></p>
<p>现在的外设里面，很多都内置了 DMAC</p>
<p>最早，计算机里是没有 DMAC 的，所有数据都是由 CPU 来搬运的。随着对于数据传输的需求越来越多，先是出现了主板上独立的 DMAC 控制器。到了今天，各种 I/O 设备越来越多，数据传输的需求越来越复杂，使用的场景各不相同。加之显示器、网卡、硬盘对于数据传输的需求都不一样，所以各个设备里面都有自己的 DMAC 芯片了。</p>
<h2>为什么那么快？一起来看 Kafka 的实现原理</h2>
<p>了解了 DMAC 是怎么回事儿，那你可能要问了，这和我们实际进行程序开发有什么关系呢？有什么 API，我们直接调用一下，就能加速数据传输，减少 CPU 占用吗？</p>
<p>你还别说，过去几年的大数据浪潮里面，还真有一个开源项目很好地利用了 DMA 的数据传输方式，通过 DMA 的方式实现了非常大的性能提升。这个项目就是<strong>Kafka</strong>。下面我们就一起来看看它究竟是怎么利用 DMA 的。</p>
<p>Kafka 是一个用来处理实时数据的管道，我们常常用它来做一个消息队列，或者用来收集和落地海量的日志。作为一个处理实时数据和日志的管道，瓶颈自然也在 I/O 层面。</p>
<p>Kafka 里面会有两种常见的海量数据传输的情况。一种是从网络中接收上游的数据，然后需要落地到本地的磁盘上，确保数据不丢失。另一种情况呢，则是从本地磁盘上读取出来，通过网络发送出去。</p>
<p>我们来看一看后一种情况，从磁盘读数据发送到网络上去。如果我们自己写一个简单的程序，最直观的办法，自然是用一个文件读操作，从磁盘上把数据读到内存里面来，然后再用一个 Socket，把这些数据发送到网络上去。</p>
<pre><code>File.read(fileDesc, buf, len);
Socket.send(socket, buf, len);
</code></pre>
<p><a href="https://developer.ibm.com/articles/j-zerocopy/">代码来源</a></p>
<p>这段伪代码，来自 IBM Developer Works 上关于 Zero Copy 的文章</p>
<p>在这个过程中，数据一共发生了四次传输的过程。其中两次是 DMA 的传输，另外两次，则是通过 CPU 控制的传输。下面我们来具体看看这个过程。</p>
<p>第一次传输，是从硬盘上，读到操作系统内核的缓冲区里。这个传输是通过 DMA 搬运的。</p>
<p>第二次传输，需要从内核缓冲区里面的数据，复制到我们应用分配的内存里面。这个传输是通过 CPU 搬运的。</p>
<p>第三次传输，要从我们应用的内存里面，再写到操作系统的 Socket 的缓冲区里面去。这个传输，还是由 CPU 搬运的。</p>
<p>最后一次传输，需要再从 Socket 的缓冲区里面，写到网卡的缓冲区里面去。这个传输又是通过 DMA 搬运的。</p>
<p><img src="assets/e0e85505e793e804e3b396fc50871cd5.jpg" alt="img" /></p>
<p>这个时候，你可以回过头看看这个过程。我们只是要“搬运”一份数据，结果却整整搬运了四次。而且这里面，从内核的读缓冲区传输到应用的内存里，再从应用的内存里传输到 Socket 的缓冲区里，其实都是把同一份数据在内存里面搬运来搬运去，特别没有效率。</p>
<p>像 Kafka 这样的应用场景，其实大部分最终利用到的硬件资源，其实又都是在干这个搬运数据的事儿。所以，我们就需要尽可能地减少数据搬运的需求。</p>
<p>事实上，Kafka 做的事情就是，把这个数据搬运的次数，从上面的四次，变成了两次，并且只有 DMA 来进行数据搬运，而不需要 CPU。</p>
<pre><code>@Override
public long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException {
return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
}
</code></pre>
<p>如果你层层追踪 Kafka 的代码，你会发现，最终它调用了 Java NIO 库里的 transferTo 方法</p>
<p>Kafka 的代码调用了 Java NIO 库，具体是 FileChannel 里面的 transferTo 方法。我们的数据并没有读到中间的应用内存里面，而是直接通过 Channel，写入到对应的网络设备里。并且，对于 Socket 的操作，也不是写入到 Socket 的 Buffer 里面，而是直接根据描述符（Descriptor）写入到网卡的缓冲区里面。于是，在这个过程之中，我们只进行了两次数据传输。</p>
<p><img src="assets/596042d111ad9b871045d970a10464ab.jpg" alt="img" /></p>
<p>第一次，是通过 DMA，从硬盘直接读到操作系统内核的读缓冲区里面。第二次，则是根据 Socket 的描述符信息，直接从读缓冲区里面，写入到网卡的缓冲区里面。</p>
<p>这样，我们同一份数据传输的次数从四次变成了两次，并且没有通过 CPU 来进行数据搬运，所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的。</p>
<p>在这个方法里面，我们没有在内存层面去“复制（Copy）”数据，所以这个方法，也被称之为<strong>零拷贝</strong>（Zero-Copy）。</p>
<p>IBM Developer Works 里面有一篇文章，专门写过程序来测试过在同样的硬件下，使用零拷贝能够带来的性能提升。我在这里放上这篇文章<a href="https://developer.ibm.com/articles/j-zerocopy/">链接</a>。在这篇文章最后，你可以看到，无论传输数据量的大小，传输同样的数据，使用了零拷贝能够缩短 65% 的时间，大幅度提升了机器传输数据的吞吐量。想要深入了解零拷贝，建议你可以仔细读一读这篇文章。</p>
<h2>总结延伸</h2>
<p>讲到这里，相信你对 DMA 的原理、作用和效果都有所理解了。那么，我们一起来回顾总结一下。</p>
<p>如果我们始终让 CPU 来进行各种数据传输工作，会特别浪费。一方面，我们的数据传输工作用不到多少 CPU 核心的“计算”功能。另一方面，CPU 的运转速度也比 I/O 操作要快很多。所以，我们希望能够给 CPU“减负”。</p>
<p>于是，工程师们就在主板上放上了 DMAC 这样一个协处理器芯片。通过这个芯片，CPU 只需要告诉 DMAC，我们要传输什么数据，从哪里来，到哪里去，就可以放心离开了。后续的实际数据传输工作，都会有 DMAC 来完成。随着现代计算机各种外设硬件越来越多，光一个通用的 DMAC 芯片不够了，我们在各个外设上都加上了 DMAC 芯片，使得 CPU 很少再需要关心数据传输的工作了。</p>
<p>在我们实际的系统开发过程中，利用好 DMA 的数据传输机制，也可以大幅提升 I/O 的吞吐率。最典型的例子就是 Kafka。</p>
<p>传统地从硬盘读取数据，然后再通过网卡上向外发送，我们需要进行四次数据传输，其中有两次是发生在内存里的缓冲区和对应的硬件设备之间，我们没法节省掉。但是还有两次，完全是通过 CPU 在内存里面进行数据复制。</p>
<p>在 Kafka 里，通过 Java 的 NIO 里面 FileChannel 的 transferTo 方法调用，我们可以不用把数据复制到我们应用程序的内存里面。通过 DMA 的方式，我们可以把数据从内存缓冲区直接写到网卡的缓冲区里面。在使用了这样的零拷贝的方法之后呢，我们传输同样数据的时间，可以缩减为原来的 1/3，相当于提升了 3 倍的吞吐率。</p>
<p>这也是为什么，Kafka 是目前实时数据传输管道的标准解决方案。</p>
<h2>推荐阅读</h2>
<p>学完了这一讲之后，我推荐你阅读一下 Kafka 的论文，<a href="http://notes.stephenholiday.com/Kafka.pdf">Kakfa:a Distrubted Messaging System for Log Processing.</a>。Kafka 的论文其实非常简单易懂，是一个很好的让你了解系统、日志、分布式系统的入门材料。</p>
<p>如果你想要进一步去了解 Kafka，也可以订阅极客时间的专栏“<a href="https://time.geekbang.org/column/intro/191">Kafka 核心技术与实战</a>”。</p>
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