五、RingBuffer内存回收
当数据发送完以后,其实工作并没有结束,因为内存还没有清理。当发送完成的时候,网卡设备会触发一个硬中断(硬中断会去触发软中断)来释放内存。
这里需要注意的就是,虽然是数据发送完成通知,但是硬中断触发的软中断是NET_RX_SOFTIRQ,这也就是为什么软中断统计中RX要高于TX的另一个原因。
硬中断中会向softnet_data添加poll_list,软中断中轮询后调用其poll回调函数(硬中断软中断的配合详细请参考深入理解Linux网络——内核是如何接收到网络包的),具体实现是igb_poll,其会在q_vector->tx.ring存在时去调用igb_clean_tx_irq。
static bool igb_clean_tx_irq(struct igb_q_vector *q_vector) { // 释放skb dev_kfree_skb_any(tx_buffer->skb); // 清除tx_buffer数据 tx_buffer->skb = NULL; // 将tx_buffer指定的DMA缓冲区的长度设置为0 dma_unmap_len_set(tx_buffer, len 0); // 清除最后的DMA位置,解除映射 while(tx_desc != eop_desc) { } }
其实逻辑无非就是清理了skb(其中data保存的数据包没有释放),解决了DMA映射等,到了这一步传输才算基本完成。
当然因为传输层需要保证可靠性,所以数据包还没有删除,此时还有前面的拷贝过的skb指向它,它得等到收到对方的ACK之后才会真正删除。
六、问题解答
1.查看内核发送数据消耗的CPU时应该看sy还是si
在网络包发送过程中,用户进程(在内核态)完成了绝大部分的工作,甚至连调用驱动的工作都干了。只有当内核态进程被切走前才会发起软中断。发送过程中百分之九十以上的开销都是在用户进程内核态消耗掉的,只有一少部分情况才会触发软中断,有软中断ksoftirqd内核线程来发送。
所以在监控网络IO对服务器造成的CPU开销的时候,不能近看si,而是应该把si、sy(内核占用CPU时间比例)都考虑进来。
2.在服务器上查看/proc/softirqs,为什么NET_RX要比NET_TX大得多
对于读来说,都是要经过NET_RX软中断的,都走ksoftirqd内核线程。而对于发送来说,绝大部份工作都是在用户进程内核态处理了,只有系统态配额用尽才会发出NET_TX,让软中断处理。
当数据发送完以后,通过硬中断的方式来通知驱动发送完毕。但是硬中断无论是有数据接收还是发送完毕,触发的软中断都是NET_RX_SOFTIRQ而不是NET_TX_SOFTIRQ。
3.发送网络数据的时候都涉及那些内存拷贝操作
这里只指内存拷贝
内核申请完skb之后,将用户传递进来的buffer里的数据拷贝到skb。如果数据量大,这个拷贝操作还是开销不小的。
从传输层进入网络层时。每个skb都会被克隆出一个新的副本,目的是保存原始的skb,当网络对方没有发挥ACK的时候还可以重新发送,易实现TCP中要求的可靠传输。不过这次只是浅拷贝,只拷贝skb描述符本身,所指向的数据还是复用的。
第三次拷贝不是必须的,只有当IP层发现skb大于MTU时才需要进行,此时会再申请额外的skb,并将原来的skb拷贝成多个小的skb。
4.零拷贝到底是怎么回事
如果想把本机的一个文件通过网络发送出去,需要先调用read将文件读到内存,之后再调用send将文件发送出去
假设数据之前没有读去过,那么read系统调用需要两次拷贝才能到用户进程的内存。第一次是从硬盘DMA到Page Cache。第二次是从Page Cache拷贝到内存。send系统调用也同理,先CPU拷贝到socket发送队列,之后网卡进行DMA拷贝。
如果要发送的数据量较大,那么就需要花费不少的时间在数据拷贝上。而sendfile就是内核提供的一个可用来减少发送文件时拷贝开销的一个技术方案。在sendfile系统调用里,数据不需要拷贝到用户空间,在内核态就能完成发送处理,减少了拷贝的次数。
5.为什么Kafka的网络性能很突出
Kafka高性能的原因有很多,其中重要的原因之一就是采用了sendfile系统调用来发送网络数据包,减少了内核态和用户态之间的频繁数据拷贝。
参考资料:
Linux内核网络_JinrongLiang的博客-CSDN博客
network protocol stack_ctthuangcheng-CSDN博客
TCP->IP输出 之 ip_queue_xmit、ip_build_and_send_pkt、ip_send_unicast_reply - AlexAlex - 博客园 (cnblogs.com)
零拷贝技术第一篇:综述 (colobu.com)
《深入理解Linux网络》—— 张彦飞