大数据开发最火技术Kafka背后的“黑科技”

Kafka是由Apache软件基金会研发的一个进源流处置平台，被普遍地应用于在数据缓冲器、异步通信、汇聚日志、系统解法耦等方面。相比较于其他少见消息系统，Kafka在确保了大部分功能特性的同时，还在低陡然、较低延后等方面有很引人注目的展现出。

这篇文章不同于其他讲解Kafka用于或构建的文章，只是谈谈Kafka用了什么“白科技”使他在性能方面有这么引人注目的展现出。消息顺序载入磁盘磁盘大多数都还是机械结构（SSD不出辩论的范围内），如果将消息以随机写出的方式现金磁盘，就必须按柱面、磁头、扇区的方式传输速率，传输速率是一个“机械动作”也最耗时。为了提升读取硬盘的速度，Kafka就是用于顺序I／O。

图1Kafka顺序IO上图中，每个partition就是一个文件，每条消息都被append到该partition中，归属于顺序写出磁盘，因此效率十分低。这种方法有一个缺失——没办法移除数据，所以Kafka是会移除数据的，它不会把所有的数据都保有下来，每个消费者（Consumer）对每个Topic都有一个offset用来回应加载到了第几条数据。关于磁盘顺序读取和随机读取的性能，提到一组Kafka官方得出的测试数据（Raid－5，7200rpm）：SequenceI／O：600MB／sRandomI／O：100KB／s所以通过只做到SequenceI／O，给Kafka带给了性能的很大提高。

ZeroCopy考虑到一个web程序加载文件内容并传输到网络的场景，构建的核心代码如下：图2普通read方法虽然只是两个调用，但却经过了4次copy，其中有2次cpucopy，还有多次用户态与内核态的上下文转换，这不会减轻cpu的开销，而零拷贝就是为了解决问题这种陈旧。＃mmap：增加拷贝次数的一种方法是调用mmap（）来替换read（）调用：应用程序调用mmap（），磁盘上的数据不会通过DMA被拷贝到内核缓冲区，接着操作系统不会把这段内核缓冲区与应用程序分享，这样就不必须把内核缓冲区的内容往用户空间拷贝。应用程序再行调用write（），操作系统必要将内核缓冲区的内容拷贝到socket缓冲区中，最后再行把数据零担网卡去。图3mmap方法用于mmap可以增加一次cpucopy，但也不会遇上一些陷阱，当你的程序map了一个文件，但是当这个文件被另一个进程切断（truncate）时，write系统调用不会因为采访非法地址而被SIGBUS信号中止。

一般来说可以通过，为SIGBUS信号创建信号处理程序或用于文件租凭（fileleasing）的方式去解决问题，这里就仍然赘述了。＃sendfile：从2．1版内核开始，Linux引进了sendfile来修改操作者图4sendfile方法sendfile（）方法引起DMA引擎将文件内容拷贝到一个加载缓冲区（DMAcopy）然后由内核将数据拷贝到socketbuffer（cpucopy）最后再行拷贝到网卡（DMAcopy）用于sendfile不仅增加了数据拷贝的次数，还增加了上下文转换，数据传输一直只再次发生在kernelspace聊到这里，sendfile最少还必须一次cpucopy，那么这一步能无法省却呢？为了避免内核已完成的所有数据拷贝，我们必须一个反对搜集（gather）操作者的网络接口。同时，在内核版本2．4中，也改动了套接字缓冲区描述符以适应环境零拷贝拒绝。这种方法不仅增加了多个上下文转换，还几乎中止了cpucopy。

图5sendfile方法（DMAgather）sendfile系统调用利用DMA引擎将文件内容拷贝到内核缓冲区去，然后将具有文件方位和长度信息的缓冲区描述符加到socket缓冲区去，这一步会将内核中的数据拷贝到socket缓冲区中，DMA引擎不会将内核缓冲区的数据拷贝到协议引擎中去，防止了最后一次CPU拷贝。零拷贝技术十分广泛，JAVA的transferTo、transferFrom方法就是ZeroCopy。

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