?大家好，我是樹哥。

相信大家在學(xué)習(xí) Kafka 的時(shí)候，都會(huì)被問到：為啥 Kafka 這么快？許多朋友都會(huì)回答是因?yàn)?zero-copy 技術(shù)。而一說到 Zero-copy 就會(huì)說到 DMA 技術(shù)。

但 DMA 技術(shù)到底是啥？它誕生的背景是什么？它解決了什么問題？估計(jì)很多人就不知道了。今天就讓我?guī)Т蠹冶P一盤 DMA 技術(shù)！

什么是 DMA？

DMA，全稱 Direct Memory Access，即直接存儲(chǔ)器訪問。

DMA 傳輸將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另一個(gè)地址空間，提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

從 DMA 的定義我們可以知道，其主要是用來傳輸數(shù)據(jù)，并且是在外設(shè)和存儲(chǔ)器或者存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間傳輸數(shù)據(jù)。

那為啥要通過 DMA 來進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)呢？

原因是：之前傳輸數(shù)據(jù)需要 CPU 參與，在大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)消耗 CPU 資源。

因此為了提升 CPU 利用率，出現(xiàn)了 DMA 技術(shù)，即直接讓內(nèi)存與磁盤進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在 DMA 技術(shù)出現(xiàn)之前，Linux 通過 I/O 中斷的方式來傳輸數(shù)據(jù)，其流程如下圖所示：

IO 中斷方式的數(shù)據(jù)傳輸流程

• 用戶進(jìn)程向 CPU 發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用讀取數(shù)據(jù)，由用戶態(tài)切換為內(nèi)核態(tài)，然后一直阻塞等待數(shù)據(jù)的返回。
• CPU 在接收到指令以后對(duì)磁盤發(fā)起 I/O 請(qǐng)求，將磁盤數(shù)據(jù)先放入磁盤控制器緩沖區(qū)。
• 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成以后，磁盤向 CPU 發(fā)起 I/O 中斷。
• CPU 收到 I/O 中斷以后將磁盤緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，然后再從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)。

用戶進(jìn)程由內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)，解除阻塞狀態(tài)，然后等待 CPU 的下一個(gè)執(zhí)行時(shí)間鐘。

從上述流程可以看到，CPU 需要參與到「磁盤緩沖區(qū)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)」、「內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩存區(qū)」這兩個(gè)過程，極大地消耗了 CPU 資源。但有了 DMA 技術(shù)之后，其過程變成了這樣：

DMA 方式的數(shù)據(jù)傳輸流程

• 用戶進(jìn)程向 CPU 發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用讀取數(shù)據(jù)，由用戶態(tài)切換為內(nèi)核態(tài)，然后一直阻塞等待數(shù)據(jù)的返回。
• CPU 在接收到指令以后對(duì) DMA 磁盤控制器發(fā)起調(diào)度指令。
• DMA 磁盤控制器對(duì)磁盤發(fā)起 I/O 請(qǐng)求，將磁盤數(shù)據(jù)先放入磁盤控制器緩沖區(qū)，CPU 全程不參與此過程。
• 數(shù)據(jù)讀取完成后，DMA 磁盤控制器會(huì)接受到磁盤的通知，將數(shù)據(jù)從磁盤控制器緩沖區(qū)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)。
• DMA 磁盤控制器向 CPU 發(fā)出數(shù)據(jù)讀完的信號(hào)，由 CPU 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)。
• 用戶進(jìn)程由內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)，解除阻塞狀態(tài)，然后等待 CPU 的下一個(gè)執(zhí)行時(shí)間鐘。

仔細(xì)對(duì)比加入 DMA 技術(shù)之后的數(shù)據(jù)傳輸流程，我們可以發(fā)現(xiàn) DMA 技術(shù)優(yōu)化了數(shù)據(jù)從磁盤緩沖區(qū)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)這個(gè)過程，減少了這個(gè)過程里 CPU 的參與。

實(shí)現(xiàn)原理

我們知道數(shù)據(jù)傳輸本質(zhì)上還是需要 CPU 去處理的，那 DMA 技術(shù)怎么實(shí)現(xiàn)不需要 CPU 參與就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸呢？

雖然我并沒有仔細(xì)地看過 DMA 的實(shí)現(xiàn)原理，但可以大膽預(yù)測(cè)的是：其實(shí) DMA 技術(shù)還是有用 CPU，只不過其沒有用服務(wù)器的 CPU，而是自己配了一個(gè)計(jì)算單元，專門用于做數(shù)據(jù)傳輸。這就有點(diǎn)像 CPU 既可以做普通計(jì)算又可以做圖形計(jì)算一樣，但因?yàn)閳D形渲染太復(fù)雜，于是搞出來了個(gè) GPU 專門做圖形渲染一樣。

DMA 本質(zhì)是就是一個(gè)硬件技術(shù)，其實(shí)際樣子是主板上的一個(gè)芯片，即 DMAC （DMA Controller DMA 控制器）以及 I/O 設(shè)備上的 DMAC 芯片。

通過在各個(gè) I/O 設(shè)備上都加了 DMAC 芯片，以網(wǎng)卡為例，用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)被映射到內(nèi)核后，CPU 只需要告訴 DMAC 這個(gè)芯片，「我」要發(fā) xxx 數(shù)據(jù)，打算發(fā)到哪里去，你幫我去做吧，然后 CPU 就可以走了，繼續(xù)做其它事情。

DMA 最有價(jià)值的地方體現(xiàn)在當(dāng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特別大、還要求速度特別快的時(shí)候，可以有效減少 CPU 的阻塞時(shí)間。

目前大多數(shù)的硬件設(shè)備，包括磁盤控制器、網(wǎng)卡、顯卡以及聲卡等都支持 DMA 技術(shù)。通過 DMA 和虛擬內(nèi)存技術(shù)，我們實(shí)現(xiàn)了 Zero Copy 的目標(biāo)，IO 設(shè)備跟用戶程序空間傳輸數(shù)據(jù)的過程中，減少數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)，減少系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn) CPU 的零參與，徹底消除 CPU 在這方面的負(fù)載。

總結(jié)

所謂的 DMA（Direct Memory Access，即直接存儲(chǔ)器訪問）其實(shí)是一個(gè)硬件技術(shù)，其主要目的是減少大數(shù)據(jù)量傳輸時(shí)的 CPU 消耗，從而提高 CPU 利用效率。其本質(zhì)上是一個(gè)主板和 IO 設(shè)備上的 DMAC 芯片。CPU 通過調(diào)度 DMAC 可以不參與磁盤緩沖區(qū)到內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸消耗，從而提高效率。

參考資料

• 前面部分講的還可以！【STM32】 DMA 原理，步驟超細(xì)詳解，一文看懂 DMA_Z 小旋的博客 - CSDN 博客_dma stm32
• VIP！不錯(cuò)！“零拷貝” 的硬件基石 ——DMA 到底是個(gè)什么東西，它是如何工作的？- 墨天輪
• 圖畫得不錯(cuò)！VIP！DMA 技術(shù)是什么，在哪里用？看完絕對(duì)有收獲 - 簡(jiǎn)書
• 關(guān)于 DMA（Direct memory access）比較通俗淺白的理解 - 騰訊云開發(fā)者社區(qū) - 騰訊云?