零拷贝技术第二篇：Go语言中的应用
书接上回:零拷贝技术第一篇：综述[1], 我们留了一个小尾巴，还没有介绍Go语言中零拷贝技术的应用，那么本文将带你了解Go标准库中零拷贝技术。
Go标准库中的零拷贝
在Go标准库中，也广泛使用了零拷贝技术来提高性能。因为零拷贝相关的技术很多都是通过系统调用提供的，所以在Go标准库中，也封装了这些系统调用，相关封装的代码可以在internal/poll[2]找到。
我们以Linux为例，毕竟我们大部分的业务都是在Linux运行的。
sendfile
在internal/poll/sendfile_linux.go文件中，封装了sendfile系统调用，我删除了一部分的代码，这样更容易看到它是如何封装的:
/ SendFile wraps the sendfile system call.
func SendFile(dstFD *FD, src int, remain int64) (int64, error) {
...... //写锁
dst := dstFD.Sysfd
var written int64
var err error
for remain > 0 {
n := maxSendfileSize
if int64(n) > remain {
n = int(remain)
}
n, err1 := syscall.Sendfile(dst, src, nil, n)
if n > 0 {
written += int64(n)
remain -= int64(n)
} else if n == 0 && err1 == nil {
break
}
...... // error处理
}
return written, err
}可以看到SendFile调用senfile批量写入数据。sendfile系统调用一次最多会传输 0x7ffff00(2147479552) 字节的数据。这里Go语言设置maxSendfileSize为 0<<20 (4194304)字节。
net/sendfile_linux.go文件中会使用到它:
func sendFile(c *netFD, r io.Reader) (written int64, err error, handled bool) {
var remain int64 = 1 << 62 // by default, copy until EOF
lr, ok := r.(*io.LimitedReader)
......
f, ok := r.(*os.File)
if !ok {
return 0, nil, false
}
sc, err := f.SyscallConn()
if err != nil {
return 0, nil, false
}
var werr error
err = sc.Read(func(fd uintptr) bool {
written, werr = poll.SendFile(&c.pfd, int(fd), remain)
return true
})
if err == nil {
err = werr
}
if lr != nil {
lr.N = remain - written
}
return written, wrapSyscallError("sendfile", err), written > 0
}这个函数谁又会调用呢？是TCPConn。
func (c *TCPConn) readFrom(r io.Reader) (int64, error) {
if n, err, handled := splice(c.fd, r); handled {
return n, err
}
if n, err, handled := sendFile(c.fd, r); handled {
return n, err
}
return genericReadFrom(c, r)
}这个方法又会被ReadFrom方法封装。记住这个ReadFrom方法，我们待会再说。
func (c *TCPConn) ReadFrom(r io.Reader) (int64, error) {
if !c.ok() {
return 0, syscall.EINVAL
}
n, err := c.readFrom(r)
if err != nil && err != io.EOF {
err = &OpError{Op: "readfrom", Net: c.fd.net, Source: c.fd.laddr, Addr: c.fd.raddr, Err: err}
}
return n, err
}TCPConn.readFrom方法实现很有意思。它首先检查是否满足使用splice系统调用进行零拷贝优化，在目的是TCP connection, 源是TCP或者是Unix connection才能调用splice。否则才尝试使用sendfile。如果要使用sendfile优化，也有限制，要求源是*os.File文件。再否则使用不同的拷贝方式。
ReadFrom又会在什么情况下被调用？实际上你经常会用到，io.Copy就会调用ReadFrom。也许在不经意之间，当你在将文件写入到socket过程中，就不经意使用到了零拷贝。当然这不是唯一的调用和被使用的方式。
如果我们看一个调用链，就会把脉络弄清楚：io.Copy -> *TCPConn.ReadFrom -> *TCPConn.readFrom -> net.sendFile -> poll.sendFile。
splice
上面你也看到了，*TCPConn.readFrom初始就是尝试使用splice,使用的场景和限制也提到了。net.splice函数其实是调用poll.Splice:
func Splice(dst, src *FD, remain int64) (written int64, handled bool, sc string, err error) {
p, sc, err := getPipe()
if err != nil {
return 0, false, sc, err
}
defer putPipe(p)
var inPipe, n int
for err == nil && remain > 0 {
max := maxSpliceSize
if int64(max) > remain {
max = int(remain)
}
inPipe, err = spliceDrain(p.wfd, src, max)
handled = handled || (err != syscall.EINVAL)
if err != nil || inPipe == 0 {
break
}
p.data += inPipe
n, err = splicePump(dst, p.rfd, inPipe)
if n > 0 {
written += int64(n)
remain -= int64(n)
p.data -= n
}
}
if err != nil {
return written, handled, "splice", err
}
return written, true, "", nil
}在上一篇中讲到pipe如果每次都创建其实挺损耗性能的，所以这里使用了pip pool,也提到是潘少优化的。
所以你看到，不经意间你就会用到splice或者sendfile。
CopyFileRange
copy_file_range_linux.go[3]封装了copy_file_range系统调用。因为这个系统调用非常的新，所以封装的时候首先要检查Linux的版本，看看是否支持此系统调用。版本检查和调用批量拷贝的代码我们略过，具体看是怎么使用这个系统调用的：
func copyFileRange(dst, src *FD, max int) (written int64, err error) {
if err := dst.writeLock(); err != nil {
return 0, err
}
defer dst.writeUnlock()
if err := src.readLock(); err != nil {
return 0, err
}
defer src.readUnlock()
var n int
for {
n, err = unix.CopyFileRange(src.Sysfd, nil, dst.Sysfd, nil, max, 0)
if err != syscall.EINTR {
break
}
}
return int64(n), err
}哪里会使用到它呢？of.File的读取数据的时候：
var pollCopyFileRange = poll.CopyFileRange
func (f *File) readFrom(r io.Reader) (written int64, handled bool, err error) {
// copy_file_range(2) does not support destinations opened with
// O_APPEND, so don't even try.
if f.appendMode {
return 0, false, nil
}
remain := int64(1 << 62)
lr, ok := r.(*io.LimitedReader)
if ok {
remain, r = lr.N, lr.R
if remain <= 0 {
return 0, true, nil
}
}
src, ok := r.(*File)
if !ok {
return 0, false, nil
}
if src.checkValid("ReadFrom") != nil {
// Avoid returning the error as we report handled as false,
// leave further error handling as the responsibility of the caller.
return 0, false, nil
}
written, handled, err = pollCopyFileRange(&f.pfd, &src.pfd, remain)
if lr != nil {
lr.N -= written
}
return written, handled, NewSyscallError("copy_file_range", err)
}同样的是*FIle.ReadFrom调用：
func (f *File) ReadFrom(r io.Reader) (n int64, err error) {
if err := f.checkValid("write"); err != nil {
return 0, err
}
n, handled, e := f.readFrom(r)
if !handled {
return genericReadFrom(f, r) // without wrapping
}
return n, f.wrapErr("write", e)
}所以这个优化用在文件的拷贝中，一般的调用链路是 io.Copy -> *File.ReadFrom -> *File.readFrom -> poll.CopyFileRange -> poll.copyFileRange
标准库零拷贝的应用
Go标准库将零拷贝技术在底层做了封装，所以很多时候你是不知道的。比如你实现了一个简单的文件服务器：
import "net/http"
func main() {
// 绑定一个handler
http.Handle("/", http.StripPrefix("/static/", http.FileServer(http.Dir("../root.img"))))
// 监听服务
http.ListenAndServe(":8972", nil)
}调用链如左：http.FileServer -> *fileHandler.ServeHTTP -> http.serveFile -> http.serveContent -> io.CopyN -> io.Copy -> 和sendFile的调用链接上了。可以看到访问文件的时候是调用了sendFile。
第三方库
有几个库提供了sendFile/splice的封装。
https://github.com/acln0/zerocopy
https://github.com/hslam/splice
https://github.com/hslam/sendfile
因为直接调用系统调用很方便，所以很多时候我们可以模仿标准库实现我们自己零拷贝的方法。所以个人感觉这些传统的方式没有太多锦上添花的东西可做了，要做的就是新的零拷贝系统接口的封装或者自定义开发。
参考资料
[1]
零拷贝技术第一篇：综述: https://colobu.com/2022/11/19/zero-copy-and-how-to-use-it-in-go/
[2]internal/poll: https://github.com/golang/go/tree/600db8a514600df0d3a11edc220ed7e2f51ca158/src/internal/poll
[3]copy_file_range_linux.go: https://github.com/golang/go/blob/600db8a514600df0d3a11edc220ed7e2f51ca158/src/internal/poll/copy_file_range_linux.go
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