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Original:

MSG_ZEROCOPY

翻译:

王亚鑫 Wang Yaxin <wang.yaxin@zte.com.cn>

校译:

徐鑫 xu xin <xu.xin16@zte.com.cn>
何配林 He Peilin <he.peilin@zte.com.cn>

MSG_ZEROCOPY¶

简介¶

MSG_ZEROCOPY 标志用于启用套接字发送调用的免拷贝功能。该功能目前适用于 TCP、UDP 和 VSOCK （使用 virtio 传输）套接字。

机遇与注意事项¶

在用户进程与内核之间拷贝大型缓冲区可能会消耗大量资源。Linux 支持多种免拷贝的接口，如sendfile 和 splice。MSG_ZEROCOPY 标志将底层的拷贝避免机制扩展到了常见的套接字发送调用中。

免拷贝并非毫无代价。在实现上，它通过页面固定（page pinning）将按字节拷贝的成本替换为页面统计（page accounting）和完成通知的开销。因此，MSG_ZEROCOPY 通常仅在写入量超过大约 10 KB 时才有效。

页面固定还会改变系统调用的语义。它会暂时在进程和网络堆栈之间共享缓冲区。与拷贝不同，进程在系统调用返回后不能立即覆盖缓冲区，否则可能会修改正在传输中的数据。内核的完整性不会受到影响，但有缺陷的程序可能会破坏自己的数据流。

当内核返回数据可以安全修改的通知时，进程才可以修改数据。因此，将现有应用程序转换为使用 MSG_ZEROCOPY 并非总是像简单地传递该标志那样容易。

接口¶

传递 MSG_ZEROCOPY 标志是启用免拷贝功能的最明显步骤，但并非唯一的步骤。

套接字设置¶

当应用程序向 send 系统调用传递未定义的标志时，内核通常会宽容对待。默认情况下，它会简单地忽略这些标志。为了避免为那些偶然传递此标志的遗留进程启用免拷贝模式，进程必须首先通过设置套接字选项来表明意图：

if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ZEROCOPY, &one, sizeof(one)))
        error(1, errno, "setsockopt zerocopy");

传输¶

对 send（或 sendto、sendmsg、sendmmsg）本身的改动非常简单。只需传递新的标志即可。

ret = send(fd, buf, sizeof(buf), MSG_ZEROCOPY);

如果零拷贝操作失败，将返回 -1，并设置 errno 为 ENOBUFS。这种情况可能发生在套接字超出其 optmem 限制，或者用户超出其锁定页面的 ulimit 时。

混合使用免拷贝和拷贝¶

许多工作负载同时包含大型和小型缓冲区。由于对于小数据包来说，免拷贝的成本高于拷贝，因此该功能是通过标志实现的。带有标志的调用和没有标志的调用可以安全地混合使用。

通知¶

当内核认为可以安全地重用之前传递的缓冲区时，它必须通知进程。完成通知在套接字的错误队列上排队，类似于传输时间戳接口。

通知本身是一个简单的标量值。每个套接字都维护一个内部的无符号 32 位计数器。每次带有 MSG_ZEROCOPY 标志的 send 调用成功发送数据时，计数器都会增加。如果调用失败或长度为零，则计数器不会增加。该计数器统计系统调用的调用次数，而不是字节数。在 UINT_MAX 次调用后，计数器会循环。

通知接收¶

下面的代码片段展示了 API 的使用。在最简单的情况下，每次 send 系统调用后，都会对错误队列进行轮询和 recvmsg 调用。

从错误队列读取始终是一个非阻塞操作。poll 调用用于阻塞，直到出现错误。它会在其输出标志中设置 POLLERR。该标志不需要在 events 字段中设置。错误会无条件地发出信号。

pfd.fd = fd;
pfd.events = 0;
if (poll(&pfd, 1, -1) != 1 || pfd.revents & POLLERR == 0)
        error(1, errno, "poll");

ret = recvmsg(fd, &msg, MSG_ERRQUEUE);
if (ret == -1)
        error(1, errno, "recvmsg");

read_notification(msg);

这个示例仅用于演示目的。在实际应用中，不等待通知，而是每隔几次 send 调用就进行一次非阻塞读取会更高效。

零拷贝通知可以与其他套接字操作乱序处理。通常，拥有错误队列套接字会阻塞其他操作，直到错误被读取。然而，零拷贝通知具有零错误代码，因此不会阻塞 send 和 recv 调用。

通知批处理¶

可以使用 recvmmsg 调用来一次性读取多个未决的数据包。这通常不是必需的。在每条消息中，内核返回的不是一个单一的值，而是一个范围。当错误队列上有一个通知正在等待接收时，它会将连续的通知合并起来。

当一个新的通知即将被排队时，它会检查队列尾部的通知的范围是否可以扩展以包含新的值。如果是这样，它会丢弃新的通知数据包，并增大未处理通知的范围上限值。

对于按顺序确认数据的协议（如 TCP），每个通知都可以合并到前一个通知中，因此在任何时候在等待的通知都不会超过一个。

有序交付是常见的情况，但不能保证。在重传和套接字拆除时，通知可能会乱序到达。

通知解析¶

下面的代码片段演示了如何解析控制消息：前面代码片段中的 read_notification() 调用。通知以标准错误格式 sock_extended_err 编码。

控制数据中的级别和类型字段是协议族特定的，对于 TCP 或 UDP 套接字，分别为 IP_RECVERR 或 IPV6_RECVERR。对于 VSOCK 套接字，cmsg_level 为 SOL_VSOCK，cmsg_type 为 VSOCK_RECVERR。

错误来源是新的类型 SO_EE_ORIGIN_ZEROCOPY。如前所述，ee_errno 为零，以避免在套接字上阻塞地读取和写入系统调用。

32 位通知范围编码为 [ee_info, ee_data]。这个范围是包含边界值的。除了下面讨论的 ee_code 字段外，结构中的其他字段应被视为未定义的。

struct sock_extended_err *serr;
struct cmsghdr *cm;

cm = CMSG_FIRSTHDR(msg);
if (cm->cmsg_level != SOL_IP &&
        cm->cmsg_type != IP_RECVERR)
        error(1, 0, "cmsg");

serr = (void *) CMSG_DATA(cm);
if (serr->ee_errno != 0 ||
        serr->ee_origin != SO_EE_ORIGIN_ZEROCOPY)
        error(1, 0, "serr");

printf(“completed: %u..%un”, serr->ee_info, serr->ee_data);

延迟拷贝¶

传递标志 MSG_ZEROCOPY 是向内核发出的一个提示，让内核采用免拷贝的策略，同时也是一种约定，即内核会对完成通知进行排队处理。但这并不保证拷贝操作一定会被省略。

拷贝避免不总是适用的。不支持分散/聚集 I/O 的设备无法发送由内核生成的协议头加上零拷贝用户数据组成的数据包。数据包可能需要在协议栈底层转换为一份私有数据副本，例如用于计算校验和。

在所有这些情况下，当内核释放对共享页面的持有权时，它会返回一个完成通知。该通知可能在（已拷贝）数据完全传输之前到达。因此。零拷贝完成通知并不是传输完成通知。

如果数据不在缓存中，延迟拷贝可能会比立即在系统调用中拷贝开销更大。进程还会因通知处理而产生成本，但却没有带来任何好处。因此，内核会在返回时通过在 ee_code 字段中设置标志 SO_EE_CODE_ZEROCOPY_COPIED 来指示数据是否以拷贝的方式完成。进程可以利用这个信号，在同一套接字上后续的请求中停止传递 MSG_ZEROCOPY 标志。

实现¶

环回¶

对于 TCP 和 UDP：如果接收进程不读取其套接字，发送到本地套接字的数据可能会无限期排队。无限期的通知延迟是不可接受的。因此，所有使用 MSG_ZEROCOPY 生成并环回到本地套接字的数据包都将产生延迟拷贝。这包括环回到数据包套接字（例如，tcpdump）和 tun 设备。

对于 VSOCK：发送到本地套接字的数据路径与非本地套接字相同。

测试¶

更具体的示例代码可以在内核源码的 tools/testing/selftests/net/msg_zerocopy.c 中找到。

要留意环回约束问题。该测试可以在一对主机之间进行。但如果是在本地的一对进程之间运行，例如当使用 msg_zerocopy.sh 脚本在跨命名空间的虚拟以太网（veth）对之间运行时，测试将不会显示出任何性能提升。为了便于测试，可以通过让 skb_orphan_frags_rx 与 skb_orphan_frags 相同，来暂时放宽环回限制。

对于 VSOCK 类型套接字的示例可以在 tools/testing/vsock/vsock_test_zerocopy.c 中找到。

The Linux Kernel

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