Vadim Yatsenko：共享存储守护进程的零拷贝 I/O——移除 WAL 路径上的最后一次复制
内容提要
PolarDB 的 pfsd 守护进程默认将调用方数据复制到自有内存池再写入设备，该复制位于 WAL 提交关键路径上，增加延迟和带宽开销。新方案采用零拷贝 I/O，用单个 memfd 支撑整个主共享内存段并一次性注册给 pfsd，pfsd 对段内指针直接读写以跳过复制，未对齐或段外缓冲区则回退到复制路径。该优化移除了 WAL 提交路径上最后一次内存复制，也适用于数据页、SLRU 页等共享内存缓冲区，可通过 polar_enable_zero_copy 开关启用。
延伸解读
零拷贝的适用边界：仅限共享内存缓冲区
文章明确指出，零拷贝并非对所有缓冲区生效。pfsd 只能直接读写位于主共享内存段内的缓冲区，因为该段由单个 memfd 支撑并一次性注册给 pfsd。对于 malloc、栈上或数据段中的普通缓冲区，pfsd 无法看到，仍会回退到复制路径。因此，该优化精准针对 WAL 缓冲区、共享缓冲池、SLRU 页等共享内存驻留缓冲区，而非通用 I/O 路径。
对齐是快速路径条件，而非正确性要求
零拷贝实现中，缓冲区无条件按 PG_IO_ALIGN_SIZE 对齐，确保段布局与大小一致。但对齐只是进入零拷贝快速路径的资格条件，不是正确性前提。若缓冲区未对齐，shim 会回退到复制路径，保证功能正确。这种设计让优化可跳过，不会因对齐问题导致错误，也说明零拷贝是可选优化而非强制路径。
开关控制与行为回退
文章提到，在存在共享存储和 pfsd 时，开启 polar_enable_zero_copy 会移除复制；关闭则恢复原有行为。这意味着该优化可通过配置启用，便于部署时权衡。同时，pfsd 仅对它能看到的缓冲区跳过复制，其他情况仍走复制路径，保留了最初引入复制所保障的正确性。
Q&A
PolarDB 的 pfsd 默认写路径为什么要多一次内存拷贝？
因为 pfsd 和 postgres 是不同进程，pfsd 只能读取自己可见的内存。调用方缓冲区（如 malloc、栈上或数据段中的缓冲区）无法让两个进程在同一地址看到，所以 pfsd 必须先把数据复制到自己拥有的内存池，再从该池写入设备。
零拷贝 I/O 具体是怎么实现的？
用一个 memfd 支撑整个主共享内存段，在 postmaster fork 前以 MAP_SHARED 映射，并一次性注册给 pfsd。pfsd 的读写 shim（pfsd_pwrite_zc / pfsd_pread_zc）识别段内指针后直接读写，跳过复制；未对齐或段外缓冲区则回退到复制路径。
零拷贝优化能带来什么好处？
它移除了 WAL 提交关键路径上的最后一次内存复制，降低每次提交的延迟，并减少复制消耗的内存带宽。该优化也适用于数据页、SLRU 页、校验和暂存等共享内存缓冲区，因此收益不限于 WAL。
零拷贝会不会影响数据正确性？
不会。pfsd 只对它能直接看到的共享内存段内缓冲区跳过复制，对未对齐或段外缓冲区自动回退到复制路径。对齐只是快速路径的资格条件，不是正确性要求，因此原有正确性保证得以保留。
如何启用或关闭零拷贝 I/O？
在存在共享存储和 pfsd 的环境中，通过 polar_enable_zero_copy 开关启用零拷贝；关闭该开关则恢复原有的复制行为。
为什么零拷贝只针对共享内存中的缓冲区？
因为只有位于主共享内存段内的缓冲区才能被 pfsd 直接看到，从而避免复制。对于任意普通缓冲区（如 malloc 或栈上分配的），pfsd 无法直接读取，复制仍然不可避免，所以零拷贝只优化可避免复制的子集。
