Kafka是由Apache軟件基金會開發的一個開源流處理平臺，被廣泛地應用在數據緩沖、異步通信、匯集日志、系統解耦等方面。相比較于其他常見消息系統，Kafka在保障了大部分功能特性的同時，還在高吞吐、低延遲等方面有很突出的表現。這篇文章不同于其他介紹Kafka使用或實現的文章，只是談談Kafka用了什么“黑科技”使他在性能方面有這么突出的表現。

• 消息順序寫入磁盤

磁盤大多數都還是機械結構(SSD不在討論的范圍內)，如果將消息以隨機寫的方式存入磁盤，就需要按柱面、磁頭、扇區的方式尋址，尋址是一個“機械動作”也最耗時。為了提高讀寫硬盤的速度，Kafka就是使用順序I/O。  

圖 1 Kafka順序IO

上圖中，每個partition就是一個文件，每條消息都被append 到該 partition 中，屬于順序寫磁盤，因此效率非常高。這種方法有一個缺陷—— 沒有辦法刪除數據 ，所以Kafka是不會刪除數據的，它會把所有的數據都保留下來，每個消費者(Consumer)對每個Topic都有一個offset用來表示讀取到了第幾條數據 。

關于磁盤順序讀寫和隨機讀寫的性能，引用一組Kafka官方給出的測試數據(Raid-5，7200rpm)：

• Sequence I/O: 600MB/s
• Random I/O: 100KB/s

所以通過只做Sequence I/O，給Kafka帶來了性能的極大提升。

• Zero Copy

考慮一個web程序讀取文件內容并傳輸到網絡的場景，實現的核心代碼如下：

 

圖 2 普通read方法

雖然只是兩個調用，但卻經過了4次copy，其中有2次cpu copy，還有多次用戶態與內核態的上下文切換，這會加重cpu的負擔，而零拷貝就是為了解決這種低效。

# mmap:

減少拷貝次數的一種方法是調用mmap()來代替read()調用:

應用程序調用mmap()，磁盤上的數據會通過DMA被拷貝到內核緩沖區，接著操作系統會把這段內核緩沖區與應用程序共享，這樣就不需要把內核緩沖區的內容往用戶空間拷貝。應用程序再調用write(),操作系統直接將內核緩沖區的內容拷貝到socket緩沖區中，最后再把數據發到網卡去。 

圖 3 mmap方法

使用mmap可以減少一次cpu copy，但也會遇到一些陷阱，當你的程序map了一個文件，但是當這個文件被另一個進程截斷(truncate)時, write系統調用會因為訪問非法地址而被SIGBUS信號終止。通常可以通過，為SIGBUS信號建立信號處理程序或使用文件租憑(file leasing)的方式去解決，這里就不再贅述了。

# sendfile:

從2.1版內核開始，Linux引入了sendfile來簡化操作

圖 4 sendfile方法

sendfile() 方法引發 DMA 引擎將文件內容拷貝到一個讀取緩沖區(DMA copy)然后由內核將數據拷貝到socket buffer(cpu copy)最后再拷貝到網卡(DMA copy)使用sendfile不僅減少了數據拷貝的次數，還減少了上下文切換，數據傳送始終只發生在kernel space

聊到這里，sendfile至少還需要一次cpu copy，那么這一步能不能省去呢?為了消除內核完成的所有數據復制，我們需要一個支持收集(gather)操作的網絡接口。同時，在內核版本2.4中，也修改了套接字緩沖區描述符以適應零拷貝要求。 這種方法不僅減少了多個上下文切換，還完全取消了cpu copy。 

圖 5 sendfile方法(DMA gather)

sendfile系統調用利用DMA引擎將文件內容拷貝到內核緩沖區去，然后將帶有文件位置和長度信息的緩沖區描述符添加socket緩沖區去，這一步不會將內核中的數據拷貝到socket緩沖區中，DMA引擎會將內核緩沖區的數據拷貝到協議引擎中去，避免了最后一次CPU拷貝。

零拷貝技術非常普遍，JAVA的transferTo、transferFrom方法就是Zero Copy。

【本文是51CTO專欄機構“AiChinaTech”的原創文章，微信公眾號( id: tech-AI)”】

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