Relay 是一种从 Linux 内核到用户空间的******数据传输技术。通过用户定义的 relay 通道，内核空间的程序能够高效、可靠、便捷地将数据传输到用户空间。Relay 特别适用于内核空间有大量数据需要传输到用户空间的情形，目前已经广泛应用在内核调试工具如 SystemTap中。本文介绍了 Relay 的历史和原理，并且用一个简单的实例介绍了 Relay 的具体用法。

　　Relay 要解决的问题

　　对于任何在内核工作的程序而言，如何把大量的调试信息从内核空间传输到用户空间都是一个******烦，对于运行中的内核更是如此。特别是对于哪些用于调试内核性能的工具，更是如此。

　　对于这种大量数据需要在内核中缓存并传输到用户空间需求，很多传统的方法都已到达了极限，例如内核程序员很熟悉的 printk() 调用。此外，如果不同的内核子系统都开发自己的缓存和传输代码，造成很大的代码冗余，而且也带来维护上的困难。

　　这些，都要求开发一套能够******可靠地将数据从内核空间转发到用户空间的系统，而且这个系统应该独立于各个调试子系统。这样就诞生了 RelayFS。

　　Relay的发展历史

　　Relay 的前身是 RelayFS，即作为 Linux 的一个新型文件系统。2003年3月，RelayFS的******个版本的代码被开发出来，在7月14日，******个针对2.6内核的版本也开始提供下载。经过广泛的试用和改进，直到2005年9月，RelayFS才被加入mainline内核(2.6.14)。同时，RelayFS也被移植到2.4内核中。在 2006年2月，从2.6.17开始，RelayFS不再作为单独的文件系统存在，而是成为内核的一部分。它的源码也从fs/目录下转移到 kernel/relay.c中，名称中也从RelayFS改成了Relay。

　　RelayFS目前已经被越来越多的内核工具使用，包括内核调试工具SystemTap、LTT，以及一些特殊的文件系统例如DebugFS。

　　Relay的基本原理

　　总的说来，Relay提供了一种机制，使得内核空间的程序能够通过用户定义的relay通道(channel)将大量数据高效的传输到用户空间。

　　一个relay通道由一组和CPU一一对应的内核缓冲区组成。这些缓冲区又被称为relay缓冲区(buffer)，其中的每一个在用户空间都用一个常规文件来表示，这被叫做relay文件(file)。内核空间的用户可以利用relay提供的API接口来写入数据，这些数据会被自动的写入当前的 CPU id对应的那个relay缓冲区;同时，这些缓冲区从用户空间看来，是一组普通文件，可以直接使用read()进行读取，也可以使用mmap()进行映射。Relay并不关心数据的格式和内容，这些完全依赖于使用relay的用户程序。Relay的目的是提供一个足够简单的接口，从而使得基本操作尽可能的******。

　　Relay将数据的读和写分离，使得突发性大量数据写入的时候，不需要受限于用户空间相对较慢的读取速度，从而大大提高了效率。Relay作为写入和读取的桥梁，也就是将内核用户写入的数据缓存并转发给用户空间的程序。这种转发机制也正是Relay这个名称的由来。

　　这里的relay通道由四个relay缓冲区(kbuf0到kbuf3)组成，分别对应于系统中的cpu0到cpu1。每个CPU上的代码调用relay_write()的时候将数据写入自己对应的relay缓冲区内。每个relay缓冲区称一个relay文件，即/cpu0到 /cpu3。当文件系统被mount到/mnt/以后，这个relay文件就被映射成映射到用户空间的地址空间。一旦数据可用，用户程序就可以把它的数据读出来写入到硬盘上的文件中，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 还提供了更多的 API来支持用户程序完整的使用 relay。这些 API，主要按照面向用户空间和面向内核空间分为两大类，下面我们来分别进行介绍。

　　面向用户空间的 API

　　这些 Relay 编程接口向用户空间程序提供了访问 relay 通道缓冲区数据的基本操作的入口，包括：

　　●open() - 允许用户打开一个已经存在的通道缓冲区。

　　●mmap() - 使通道缓冲区被映射到位于用户空间的调用者的地址空间。要特别注意的是，我们不能仅对局部区域进行映射。也就是说，必须映射整个缓冲区文件，其大小是 CPU的个数和单个 CPU 缓冲区大小的乘积。

　　●read() - 读取通道缓冲区的内容。这些数据一旦被读出，就意味着他们被用户空间的程序消费掉了，也就不能被之后的读操作看到。

　　●sendfile() - 将数据从通道缓冲区传输到一个输出文件描述符。其中可能的填充字符会被自动去掉，不会被用户看到。

　　●poll() - 支持 POLLIN/POLLRDNORM/POLLERR 信号。每次子缓冲区的边界被越过时，等待着的用户空间程序会得到通知。

　　●close() - 将通道缓冲区的引用数减1。当引用数减为0时，表明没有进程或者内核用户需要打开它，从而这个通道缓冲区被释放。