Relay 是一種從 Linux 內核到用戶空間的******數據傳輸技術。通過用戶定義的 relay 通道，內核空間的程序能夠高效、可靠、便捷地將數據傳輸到用戶空間。Relay 特別適用于內核空間有大量數據需要傳輸到用戶空間的情形，目前已經廣泛應用在內核調試工具如 SystemTap中。本文介紹了 Relay 的歷史和原理，并且用一個簡單的實例介紹了 Relay 的具體用法。

　　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******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******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******個版本的代碼被開發出來，在7月14日，******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******。

　　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。