一文读懂零拷贝技术｜splice原理与实现

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splice 原理重温

在《[splice使用] 》一文中介绍了 splice 的原理和使用，现在我们来分析一下 splice 的代码实现。

我们先来回顾一下 splice 的原理：

如上图所示，使用 splice 拷贝数据时，需要通过管道作为中转。splice 首先将 页缓存 绑定到 管道 的写端，然后通过 管道 的读端读取到 页缓存 的数据，并且拷贝到 socket 缓冲区中。

管道的实现可以参考：《[图解 | Linux进程通信 - 管道实现] 》

我们在《[图解 | Linux进程通信 - 管道实现] 》一文中介绍过，管道有个 环形缓冲区，这个 环形缓冲区 需要绑定真实的物理内存页。而 splice 就是将管道的 环形缓冲区 绑定到文件的 页缓存，如下图所示：

通过将文件页缓存绑定到管道的环形缓冲区后，就可以通过管道的读端读取文件页缓存的数据。

splice 代码实现

在《[splice使用] 》一文中介绍过 splice 的使用过程，要将文件内容发送到客户端连接的步骤如下：

  1. 首先，使用 splice() 系统调用将文件的内容与管道绑定。
  2. 然后，使用 splice() 系统调用将管道的数据拷贝到客户端连接 socket。

我们先来看看 splice() 系统调用的实现，代码如下：

asmlinkage long
sys_splice(int fd_in, loff_t *off_in, 
           int fd_out, loff_t *off_out, 
           size_t len, unsigned int flags)
{
    long error;
    struct file *in, *out;
    int fput_in, fput_out;
    ...

    error = -EBADF;
    in = fget_light(fd_in, &fput_in);            // 1. 获取数据输入方文件对象
    if (in) {
        if (in->f_mode & FMODE_READ) {
            out = fget_light(fd_out, &fput_out); // 2. 获取数据输出方文件对象
            if (out) {
                if (out->f_mode & FMODE_WRITE)
                    // 3. 调用 do_splice() 函数进行下一步操作
                    error = do_splice(in, off_in, out, off_out, len, flags);

                fput_light(out, fput_out);
            }
        }

        fput_light(in, fput_in);
    }

    return error;
}

splice() 系统调用主要调用 do_splice() 函数进行下一步处理，我们来分析一下 do_splice() 函数的实现。do_splice() 函数主要分两种情况进行处理，代码如下：

static long
do_splice(struct file *in, loff_t *off_in, 
          struct file *out, loff_t *off_out, 
          size_t len, unsigned int flags)
{
    struct pipe_inode_info *pipe;
    loff_t offset, *off;
    long ret;

    // 情况1: 如果输入端是一个管道?
    pipe = pipe_info(in->f_path.dentry->d_inode);
    if (pipe) {
        ...
        // 调用 do_splice_from() 函数管道数据拷贝到目标文件句柄
        ret = do_splice_from(pipe, out, off, len, flags);
        ...
        return ret;
    }

    // 情况2: 如果输出端是一个管道?
    pipe = pipe_info(out->f_path.dentry->d_inode);
    if (pipe) {
        ...
        // 调用 do_splice_to() 函数将文件内容与管道绑定
        ret = do_splice_to(in, off, pipe, len, flags);
        ...
        return ret;
    }

    return -EINVAL;
}

如上面代码所示，do_splice() 函数分两种情况处理，如下：

  1. 如果输入端是一个管道，则调用 do_splice_from() 函数进行处理。
  2. 如果输出端是一个管道，则调用 do_splice_to() 函数进行处理。

下面我们分别来说明这两种情况的处理过程。

1. 输入端是一个管道

如果输入端是一个管道（也就是说从管道拷贝数据到输出端句柄），那么将会调用 do_splice_from() 函数进行处理，do_splice_from() 函数的实现如下：

static long
do_splice_from(struct pipe_inode_info *pipe, struct file *out,
               loff_t *ppos, size_t len, unsigned int flags)
{
    ...
    return out->f_op->splice_write(pipe, out, ppos, len, flags);
}

如果输出端是一个普通文件，那么 out->f_op->splice_write() 将会指向 generic_file_splice_write() 函数。如果输出端是一个 socket，那么 out->f_op->splice_write() 将会指向 generic_splice_sendpage() 函数。

下面将以 generic_file_splice_write() 函数作为分析对象，generic_file_splice_write() 函数会调用 __splice_from_pipe() 进行下一步处理，如下所示：

ssize_t
generic_file_splice_write(struct pipe_inode_info *pipe, struct file *out,
                          loff_t *ppos, size_t len, unsigned int flags)
{
    ...
    ret = __splice_from_pipe(pipe, &sd, pipe_to_file);
    ...
    return ret;
}

我们接着来分析 __splice_from_pipe() 函数的实现：

ssize_t
__splice_from_pipe(struct pipe_inode_info *pipe, struct splice_desc *sd,
                   splice_actor *actor)
{
    ...
    for (;;) {
        if (pipe->nrbufs) {
            // 1. 获取管道环形缓冲区
            struct pipe_buffer *buf = pipe->bufs + pipe->curbuf;
            const struct pipe_buf_operations *ops = buf->ops;
            ...

            // 2. 把管道环形缓冲区的数据拷贝到输出端文件。
            // 其中 actor 指针指向 pipe_to_file() 函数，由 generic_file_splice_write() 函数传入
            err = actor(pipe, buf, sd);
            if (err <= 0) {
                if (!ret && err != -ENODATA)
                    ret = err;
                break;
            }
            ...
        }
        ...
    }
    ...
    return ret;
}

对 __splice_from_pipe() 函数进行简化后，逻辑就很简单。主要过程如下：

  1. 获取管道环形缓冲区（管道的实现可以参考《[图解 | Linux进程通信 - 管道实现] 》一文）。
  2. 调用 pipe_to_file() 函数把管道环形缓冲区的数据拷贝到输出端的文件中。

所以，输入端是一个管道的调用链如下：

sys_splice()
└→ do_splice()
   └→ do_splice_from()
      └→ generic_file_splice_write()
         └→ __splice_from_pipe()
            └→ pipe_to_file()

2. 输出端是一个管道

如果输出端是一个管道（也就是说将输入端与管道绑定），那么将会调用 do_splice_to() 函数进行处理，do_splice_to() 函数的实现如下：

static long
do_splice_to(struct file *in, loff_t *ppos, struct pipe_inode_info *pipe,
             size_t len, unsigned int flags)
{
    ...
    return in->f_op->splice_read(in, ppos, pipe, len, flags);
}

如果输入端是一个普通文件，那么 in->f_op->splice_read() 将会指向 generic_file_splice_read() 函数。如果输出端是一个 socket，那么 in->f_op->splice_read() 将会指向 sock_splice_read() 函数。

下面将以 generic_file_splice_read() 函数作为分析对象，generic_file_splice_read() 函数会调用 __generic_file_splice_read() 进行下一步处理，如下所示：

static int
__generic_file_splice_read(struct file *in, loff_t *ppos,
                           struct pipe_inode_info *pipe,
                           size_t len, unsigned int flags)
{
    ...
    struct page *pages[PIPE_BUFFERS];
    struct splice_pipe_desc spd = {
        .pages = pages,
        ...
    };
    ...

    // 1. 查找已经存在页缓存的页面
    spd.nr_pages = find_get_pages_contig(mapping, index, nr_pages, pages);
    index += spd.nr_pages;

    ...
    // 2. 如果有些页缓存还不存在，那么申请新的页缓存
    while (spd.nr_pages < nr_pages) {
        page = find_get_page(mapping, index);
        ...
        pages[spd.nr_pages++] = page;
        index++;
    }

    // 3. 如果页缓存与硬盘的数据不一致，那么先从硬盘同步到页缓存
    for (page_nr = 0; page_nr < nr_pages; page_nr++) {
        ...
        page = pages[page_nr];
        ...
        if (!PageUptodate(page)) {
            ...
            error = mapping->a_ops->readpage(in, page); // 从硬盘读取数据
            ...
        }
        ...
        spd.nr_pages++;
        index++;
    }

    ...
    // 4. 将页缓存与管道绑定
    if (spd.nr_pages)
        return splice_to_pipe(pipe, &spd);

    return error;
}

__generic_file_splice_read() 函数的代码比较长，为了更易于分析，所以对其进行了精简。从精简后的代码可以看出，__generic_file_splice_read() 函数主要完成 4 个步骤：

  1. 查找要绑定的页缓存是否已经存在（已经从硬盘同步到页缓存）。
  2. 如果还有没有同步到内核的页缓存，那么申请新的页缓存。
  3. 如果页缓存与硬盘的数据不一致，那么先从硬盘同步到页缓存。
  4. 调用 splice_to_pipe() 函数将页缓存与管道绑定。

所以最终会调用 splice_to_pipe() 函数将页缓存与管道绑定，我们来看看 splice_to_pipe() 函数的实现：

ssize_t
splice_to_pipe(struct pipe_inode_info *pipe, struct splice_pipe_desc *spd)
{
    unsigned int spd_pages = spd->nr_pages;
    int ret, do_wakeup, page_nr;
    ...
    for (;;) {
        ...
        if (pipe->nrbufs < PIPE_BUFFERS) {
            // 指向管道环形缓冲区当前位置
            int newbuf = (pipe->curbuf + pipe->nrbufs) & (PIPE_BUFFERS - 1);
            struct pipe_buffer *buf = pipe->bufs + newbuf;

            // 将环形缓冲区与页缓存绑定
            buf->page = spd->pages[page_nr];
            buf->offset = spd->partial[page_nr].offset;
            buf->len = spd->partial[page_nr].len;
            buf->private = spd->partial[page_nr].private;
            buf->ops = spd->ops;
            if (spd->flags & SPLICE_F_GIFT)
                buf->flags |= PIPE_BUF_FLAG_GIFT;

            pipe->nrbufs++;
            page_nr++;
            ret += buf->len;

            ...
            if (pipe->nrbufs < PIPE_BUFFERS)
                continue;
            break;
        }

        ...
    }

    ...
    return ret;
}

splice_to_pipe() 函数代码虽然比较长，但是逻辑很简单，就是将管道的环形缓冲区与文件的页缓存进行绑定，这样就能过通过管道的读端来读取页缓存的数据。

所以，输出端是一个管道的调用链如下：

sys_splice()
└→ do_splice()
   └→ do_splice_to()
      └→ generic_file_splice_read()
         └→ __generic_file_splice_read()
            └→ splice_to_pipe()

总结

本文主要介绍了 splice 的原理与实现，splice 是 零拷贝技术 的一种实现。希望通过本文，能够让读者对 零拷贝技术 有更深入的理解。

当然本文也忽略了很多实现的细节，所以在阅读的过程中遇到某些细节不理解的时候，可以直接阅读源代码来解疑。

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