 | 级别： 中级 Girish Venkatachalam (girish1729@gmail.com), 开放源代码顾问和倡导者
2007 年 11 月 19 日 本文为那些希望增强其网络吞吐量的 UNIX® 编程人员提供了诸多技巧。学习如何使用 mmap、收集分散的 I/O 和其他方法加速客户机和服务器的处理速度。
引言
本系列的第 1 部分（请参阅参考资料）重点介绍了利用诸如非阻塞 I/O 之类的高级编程技术最大限度提高网络利用率方面的一些小窍门。这篇文章还介绍了您可以使用的一些其他小窍门。
目前，大多使用硬盘进行文件存储。作为机械设备，在特定情形下，硬盘永远也达不到主要存储（如 RAM 或网络）所具有的速度。推荐使用 SCSI 或 SATA，因为与较旧的 IDE 磁盘相比，它在吞吐量上提供了快速改进。
还应确保您的磁盘使用 DMA 进行传输。
作为编程人员，可以确定减少磁盘延迟的方法。最相关的主题包括：最小化系统调用上下文切换开销和内存副本开销 (memcpy(2))。对于 TCP 发送和接收缓冲区来说，使用确定的值对减少系统调用开销非常有用。在大多数 UNIX® 代码中，一般使用值 8192 或 0x8000。
当然，您还需要：
- 通过将开销较大的代码移出循环来减少客户机或服务器 CPU 的负载。
- 从不使用 sleep(2) 或同步元素。
- 不考虑使用线程来提高网络性能。
多用途的 mmap(2) 方法
您知道内存映射的 I/O 和 I/O 映射的 I/O。通常在设备驱动程序中以及与外围设备进行通讯时使用此方法。您可以使用 UNIX 系统上的 mmap(2) 系统调用来映射主内存，使其直接指向辅助存储（硬盘）上的文件。
mmap(2) 是一种用途很广的系统调用（如 select(2)），但是，这里关心的重点是增强磁盘 I/O 的性能和减少内存副本开销。借助于 mmap(2) 将文件内容读入主内存，而不使用 read(2)/fread(2) 系统调用可以同时实现这两种要求。
因为消除了冗余的缓冲区副本，所以 mmap(2) 能够提供更高的性能。但是，用法语义并非完全显而易见。您必须使用 ftruncate(2) 调用来分配主内存空间，让内核知道需要分配多少空间来映射使用 mmap(2) 编写的文件。清单 1 显示了详细信息。
清单 1. mmap(2) 文件编写
/**************************************************************/
/**************************************************************/
/******************************************
* mmap(2) file write *
* *
*****************************************/
caddr_t *mm = NULL;
fd = open (filename, O_RDWR | O_TRUNC | O_CREAT, 0644);
if(-1 == fd)
errx(1, "File write");
/* NOT REACHED */
/* If you don't do this, mmapping will never
* work for writing to files
* If you don't know file size in advance as is
* often the case with data streaming from the
* network, you can use a large value here. Once
* write out the whole file, you can shrink it
* to the correct size by calling ftruncate
* again
*/
ret = ftruncate(ctx->fd,filelen);
mm = mmap(NULL, header->filelen, PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_SHARED, ctx->fd, 0);
if (NULL == mm)
errx(1, "mmap() problem");
memcpy(mm + off, buf, len);
off += len;
/* Please don't forget to free mmap(2)ed memory! */
munmap(mm, filelen);
close(fd);
/**************************************************************/
/**************************************************************/
/******************************************
* mmap(2) file read *
* *
*****************************************/
fd = open(filename, O_RDONLY, 0);
if ( -1 == fd)
errx(1, " File read err");
/* NOT REACHED */
fstat(fd, &statbf);
filelen = statbf.st_size;
mm = mmap(NULL, filelen, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
if (NULL == mm)
errx(1, "mmap() error");
/* NOT REACHED */
/* Now onwards you can straight away
* do a memory copy of the mm pointer as it
* will dish out file data to you
*/
bufptr = mm + off;
/* You can straight away copy mmapped memory into the
network buffer for sending */
memcpy(pkt.buf + filenameoff, bufptr, bytes);
/* Please don't forget to free mmap(2)ed memory! */
munmap(mm, filelen);
close(fd); |
您可以使用 mmap(2) 在网络下读取文件，将网络内容转储到另一端的文件系统。
mmap(2) 有时可以提供帮助，但有时又会带来损害。例如，当尝试在 NFS 上使用 mmap(2) 处理某一区域时，就可能会带来损害。但是，在大多数其他情况下，只要有可能，最好使用 mmap(2)。
使用 readv 或 writev 分散收集 I/O
除 mmap(2) 外，您还可以使用称为 uio 或分散收集 I/O 的其他技术来加快客户端和服务器的处理速度。该技术不是使用一组字节作为缓冲区，您可以直接操作一组缓冲区，其中的每个缓冲区都可以指向不同源或目的地的数据。虽然此技术在适用性方面有些限制，但它可临时为您提供帮助。例如，您可以从不同位置填充标头，并将它们合并在一起，而无需直接使用 writev(2) 代替多个 write(2) 进行复制，或使用带有多个 memcpy(2) 的单一 write(2) 进行复制。
若要让您的编程变得复杂化，使用带有非阻塞 I/O 的 uio 非常有用，如下面的清单 2 所示。
清单 2. 使用带有非阻塞 I/O 的 uio 非常有用
writeiovall(int fd, struct iov *iov, int nvec) {
int i, bytes;
i = 0;
while (i < nvec) {
do
{
rv = writev(fd, &vec[i], nvec - i);
} while (rv == -1 &&
(errno == EINTR || errno == EAGAIN));
if (rv == -1) {
if (errno != EINTR && errno != EAGAIN) {
perror("write");
}
return -1;
}
bytes += rv;
/* recalculate vec to deal with partial writes */
while (rv > 0) {
if (rv < vec[i].iov_len) {
vec[i].iov_base = (char *) vec[i].iov_base + rv;
vec[i].iov_len -= rv;
rv = 0;
}
else {
rv -= vec[i].iov_len;
++i;
}
}
}
/* We should get here only after we write out everything */
return 0;
}
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在代码中，套接字写入可以编写一部分 uio 缓冲区，或者编写几个完整的 uio 缓冲区。或者可以编写几个 uio 缓冲区和部分编写其中的一个缓冲区。图 1 帮助显示了难点。
图 1. 带有非阻塞套接字的 uio
其他高级技术
BSD 内核心代码使用一个称为 mbuf 的缓冲区的链接列表。您可以在 mbuf(9) 手册页的任何 BSD 系统部分或有关该主题的许多文章中获得有关它们的知识。系统地讨论不在本文的范围内，但在这里简单介绍一下。
从本质上讲，mbuf 是缓冲区的一个链接列表，每个缓冲区持有 128 到 1024 字节中的任何部分。它们一般都拥有大约 128 个字节。
由于是内核负责在数据到达后立即清除网络接口卡上的硬件缓冲区，所以 mbuf 子系统在处理网络数据方面非常有效。在千兆位网络上，如果不能正确处理，则内核的负载将非常重。
每个 mbuf 都包含三个重要信息片段：
它还包含许多其他内容，但这些是帮助处理的关键字段。
有许多宏和函数可帮助检索标头，并在处理完成后移除标头，以及挂起和预先计划数据。只有通过使用复杂的框架，内核才能高效地完成其作业。
如果您确实对获取应用程序的最佳性能感兴趣，则可以尝试针对您的用户级协议处理实现一些熟悉的内容。确保这些代码开销不会占用其他处理开销。
不必使用磁盘，您可以使用闪存编写一个自定义的磁盘驱动程序，并进行 RAID 处理。
增强性能就像一个永远没有结尾的故事。这个故事会永远不停地讲下去……
参考资料 学习
获得产品和技术
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IBM 试用软件：从 developerWorks 可直接下载这些试用软件，您可以利用它们开发您的下一个项目。
讨论
关于作者 | 
| | Girish Venkatachalam 从事 UNIX 程序员的工作已经超过 10 年。他为 Nucleus 操作系统开发了用于嵌入式系统的 IPsec。他的兴趣还包括加密、多媒体、网络和嵌入式系统。他还喜欢游泳、骑自行车、瑜珈，他是一名健身狂热爱好者。您可以通过 girish1729@gmail.com 与他联系。 |
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