一文完全弄懂零拷貝原理

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零拷貝

零拷貝（Zero-Copy）是一種 I/O 操做優化技術，能夠快速高效地將數據從文件系統移動到網絡接口，而不須要將其從內核空間複製到用戶空間。其在 FTP 或者 HTTP 等協議中能夠顯著地提高性能。可是須要注意的是，並非全部的操做系統都支持這一特性，目前只有在使用 NIO 和 Epoll 傳輸時纔可以使用該特性。markdown

須要注意，它不能用於實現了數據加密或者壓縮的文件系統上，只有傳輸文件的原始內容。這類原始內容也包括加密了的文件內容。網絡

傳統I/O操做存在的性能問題

若是服務端要提供文件傳輸的功能，咱們能想到的最簡單的方式是：將磁盤上的文件讀取出來，而後經過網絡協議發送給客戶端。併發

傳統 I/O 的工做方式是，數據讀取和寫入是從用戶空間到內核空間來回複製，而內核空間的數據是經過操做系統層面的 I/O 接口從磁盤讀取或寫入。socket

代碼一般以下，通常會須要兩個系統調用：高併發

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);
複製代碼

代碼很簡單，雖然就兩行代碼，可是這裏面發生了很多的事情。post

首先，期間共發生了 4 次用戶態與內核態的上下文切換，由於發生了兩次系統調用，一次是 read() ，一次是 write()，每次系統調用都得先從用戶態切換到內核態，等內核完成任務後，再從內核態切換回用戶態。性能

上下文切換到成本並不小，一次切換須要耗時幾十納秒到幾微秒，雖然時間看上去很短，可是在高併發的場景下，這類時間容易被累積和放大，從而影響系統的性能。優化

其次，還發生了 4 次數據拷貝，其中兩次是 DMA 的拷貝，另外兩次則是經過 CPU 拷貝的，下面說一下這個過程：加密

第一次拷貝，把磁盤上的數據拷貝到操做系統內核的緩衝區裏，這個拷貝的過程是經過 DMA 搬運的。
第二次拷貝，把內核緩衝區的數據拷貝到用戶的緩衝區裏，因而咱們應用程序就可使用這部分數據了，這個拷貝到過程是由 CPU 完成的。
第三次拷貝，把剛纔拷貝到用戶的緩衝區裏的數據，再拷貝到內核的 socket 的緩衝區裏，這個過程依然仍是由 CPU 搬運的。
第四次拷貝，把內核的 socket 緩衝區裏的數據，拷貝到網卡的緩衝區裏，這個過程又是由 DMA 搬運的。

這種簡單又傳統的文件傳輸方式，存在冗餘的上文切換和數據拷貝，在高併發系統裏是很是糟糕的，多了不少沒必要要的開銷，會嚴重影響系統性能。

因此，要想提升文件傳輸的性能，就須要減小「用戶態與內核態的上下文切換」和「內存拷貝」的次數。

零拷貝技術原理

零拷貝主要是用來解決操做系統在處理 I/O 操做時，頻繁複制數據的問題。關於零拷貝主要技術有 mmap+write、sendfile和splice等幾種方式。

虛擬內存

在瞭解零拷貝技術以前，先了解虛擬內存的概念。

全部現代操做系統都使用虛擬內存，使用虛擬地址取代物理地址，主要有如下幾點好處：

多個虛擬內存能夠指向同一個物理地址。
虛擬內存空間能夠遠遠大於物理內存空間。

利用上述的第一條特性能夠優化，能夠把內核空間和用戶空間的虛擬地址映射到同一個物理地址，這樣在 I/O 操做時就不須要來回複製了。

以下圖展現了虛擬內存的原理。

mmap/write 方式

使用mmap/write方式替換原來的傳統I/O方式，就是利用了虛擬內存的特性。下圖展現了mmap/write原理：

整個流程的核心區別就是，把數據讀取到內核緩衝區後，應用程序進行寫入操做時，直接把內核的Read Buffer的數據複製到Socket Buffer以便寫入，此次內核之間的複製也是須要CPU的參與的。

上述流程就是少了一個 CPU COPY，提高了 I/O 的速度。不過發現上下文的切換仍是4次並無減小，這是由於仍是要應用程序發起write操做。

那能不能減小上下文切換呢?這就須要sendfile方式來進一步優化了。

sendfile 方式

從 Linux 2.1 版本開始，Linux 引入了 sendfile來簡化操做。sendfile方式能夠替換上面的mmap/write方式來進一步優化。

sendfile將如下操做：

mmap();
  write();
複製代碼

替換爲：

sendfile();
複製代碼

這樣就減小了上下文切換，由於少了一個應用程序發起write操做，直接發起sendfile操做。

下圖展現了sendfile原理：

sendfile方式只有三次數據複製（其中只有一次 CPU COPY）以及2次上下文切換。

那能不能把 CPU COPY 減小到沒有呢？這樣須要帶有 scatter/gather的sendfile方式了。

帶有 scatter/gather 的 sendfile方式

Linux 2.4 內核進行了優化，提供了帶有 scatter/gather 的 sendfile 操做，這個操做能夠把最後一次 CPU COPY 去除。其原理就是在內核空間 Read BUffer 和 Socket Buffer 不作數據複製，而是將 Read Buffer 的內存地址、偏移量記錄到相應的 Socket Buffer 中，這樣就不須要複製。其本質和虛擬內存的解決方法思路一致，就是內存地址的記錄。

下圖展現了scatter/gather 的 sendfile 的原理：

scatter/gather 的 sendfile 只有兩次數據複製（都是 DMA COPY）及 2 次上下文切換。CUP COPY 已經徹底沒有。不過這一種收集複製功能是須要硬件及驅動程序支持的。

splice 方式

splice 調用和sendfile 很是類似，用戶應用程序必須擁有兩個已經打開的文件描述符，一個表示輸入設備，一個表示輸出設備。與sendfile不一樣的是，splice容許任意兩個文件互相鏈接，而並不僅是文件與socket進行數據傳輸。對於從一個文件描述符發送數據到socket這種特例來講，一直都是使用sendfile系統調用，而splice一直以來就只是一種機制，它並不只限於sendfile的功能。也就是說 sendfile 是 splice 的一個子集。

在 Linux 2.6.17 版本引入了 splice，而在 Linux 2.6.23 版本中， sendfile 機制的實現已經沒有了，可是其 API 及相應的功能還在，只不過 API 及相應的功能是利用了 splice 機制來實現的。

和 sendfile 不一樣的是，splice 不須要硬件支持。

總結

不管是傳統的 I/O 方式，仍是引入了零拷貝以後，2 次 DMA copy是都少不了的。由於兩次 DMA 都是依賴硬件完成的。因此，所謂的零拷貝，都是爲了減小 CPU copy 及減小了上下文的切換。

下圖展現了各類零拷貝技術的對比圖：

	CPU拷貝	DMA拷貝	系統調用	上下文切換
傳統方法	2	2	read/write	4
內存映射	1	2	mmap/write	4
sendfile	1	2	sendfile	2
scatter/gather copy	0	2	sendfile	2
splice	0	2	splice	0

結尾

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