Linux的高效的數據傳輸技術-Relay

　　Relay 要解決的問題

　　對于任何在內核工作的程序而言，如何把大量的調試信息從內核空間傳輸到用戶空間都是一個大麻煩，對于運行中的內核更是如此。特別是對于哪些用于調試內核性能的工具，更是如此。

　　對于這種大量數據需要在內核中緩存并傳輸到用戶空間需求，很多傳統的方法都已到達了極限，例如內核程序員很熟悉的 printk() 調用。此外，如果不同的內核子系統都開發自己的緩存和傳輸代碼，造成很大的代碼冗余，而且也帶來維護上的困難。

　　這些，都要求開發一套能夠高效可靠地將數據從內核空間轉發到用戶空間的系統，而且這個系統應該獨立于各個調試子系統。這樣就誕生了 RelayFS。

　　Relay的發展歷史

　　Relay 的前身是 RelayFS，即作為 Linux 的一個新型文件系統。2003年3月，RelayFS的第一個版本的代碼被開發出來，在7月14日，第一個針對2.6內核的版本也開始提供下載。經過廣泛的試用和改進，直到2005年9月，RelayFS才被加入mainline內核(2.6.14)。同時，RelayFS也被移植到2.4內核中。在 2006年2月，從2.6.17開始，RelayFS不再作為單獨的文件系統存在，而是成為內核的一部分。它的源碼也從fs/目錄下轉移到 kernel/relay.c中，名稱中也從RelayFS改成了Relay。

　　RelayFS目前已經被越來越多的內核工具使用，包括內核調試工具SystemTap、LTT，以及一些特殊的文件系統例如DebugFS。

　　Relay的基本原理

　　總的說來，Relay提供了一種機制，使得內核空間的程序能夠通過用戶定義的relay通道(channel)將大量數據高效的傳輸到用戶空間。

　　一個relay通道由一組和CPU一一對應的內核緩沖區組成。這些緩沖區又被稱為relay緩沖區(buffer)，其中的每一個在用戶空間都用一個常規文件來表示，這被叫做relay文件(file)。內核空間的用戶可以利用relay提供的API接口來寫入數據，這些數據會被自動的寫入當前的 CPU id對應的那個relay緩沖區；同時，這些緩沖區從用戶空間看來，是一組普通文件，可以直接使用read()進行讀取，也可以使用mmap()進行映射。Relay并不關心數據的格式和內容，這些完全依賴于使用relay的用戶程序。Relay的目的是提供一個足夠簡單的接口，從而使得基本操作盡可能的高效。

　　Relay將數據的讀和寫分離，使得突發性大量數據寫入的時候，不需要受限于用戶空間相對較慢的讀取速度，從而大大提高了效率。Relay作為寫入和讀取的橋梁，也就是將內核用戶寫入的數據緩存并轉發給用戶空間的程序。這種轉發機制也正是Relay這個名稱的由來。

　　這里的relay通道由四個relay緩沖區(kbuf0到kbuf3)組成，分別對應于系統中的cpu0到cpu1。每個CPU上的代碼調用relay_write()的時候將數據寫入自己對應的relay緩沖區內。每個relay緩沖區稱一個relay文件，即/cpu0到 /cpu3。當文件系統被mount到/mnt/以后，這個relay文件就被映射成映射到用戶空間的地址空間。一旦數據可用，用戶程序就可以把它的數據讀出來寫入到硬盤上的文件中，即cpu0.out到cpu3.out。

　　Relay的主要API

　　前面提到的 relay_write() 就是 relay API 之一。除此以外，Relay 還提供了更多的 API來支持用戶程序完整的使用 relay。這些 API，主要按照面向用戶空間和面向內核空間分為兩大類，下面我們來分別進行介紹。

　　面向用戶空間的 API

　　這些 Relay 編程接口向用戶空間程序提供了訪問 relay 通道緩沖區數據的基本操作的入口，包括：

　　●open() - 允許用戶打開一個已經存在的通道緩沖區。

　　●mmap() - 使通道緩沖區被映射到位于用戶空間的調用者的地址空間。要特別注意的是，我們不能僅對局部區域進行映射。也就是說，必須映射整個緩沖區文件，其大小是 CPU的個數和單個 CPU 緩沖區大小的乘積。

　　●read() - 讀取通道緩沖區的內容。這些數據一旦被讀出，就意味著他們被用戶空間的程序消費掉了，也就不能被之后的讀操作看到。

　　●sendfile() - 將數據從通道緩沖區傳輸到一個輸出文件描述符。其中可能的填充字符會被自動去掉，不會被用戶看到。

　　●poll() - 支持 POLLIN/POLLRDNORM/POLLERR 信號。每次子緩沖區的邊界被越過時，等待著的用戶空間程序會得到通知。

　　●close() - 將通道緩沖區的引用數減1。當引用數減為0時，表明沒有進程或者內核用戶需要打開它，從而這個通道緩沖區被釋放。

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