前言

在Linux系統(tǒng)內(nèi)部緩存和內(nèi)存容量都是有限的，更多的數(shù)據(jù)都是存儲在磁盤中。對于Web服務(wù)器來說，經(jīng)常需要從磁盤中讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存，然后再通過網(wǎng)卡傳輸給用戶：

那么這也算一次I O的過程，都知道IO過程中需要狀態(tài)的切換還有一系列拷貝過程，都是要時間開銷的，那么怎么優(yōu)化用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的狀態(tài)的切換次數(shù)和各種緩沖區(qū)之間的拷貝次數(shù)，也是linux的服務(wù)器實現(xiàn)高并發(fā)的重要技術(shù)了！

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交互

傳統(tǒng) io 的執(zhí)行流程: 下面將圖左半部分read過程的硬件抽象為磁盤; 圖右半部分write過程的硬件設(shè)為網(wǎng)卡，模擬webserver進行一次IO的過程; 方便理解;

• read：將數(shù)據(jù)從 IO 設(shè)備讀取到內(nèi)核緩存區(qū)中，再將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)
• write：將數(shù)據(jù)從用戶緩沖區(qū)寫入到內(nèi)核緩沖區(qū)中，再將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到 IO 設(shè)備

read/write 屬于系統(tǒng)調(diào)用 syscall，每一次系統(tǒng)調(diào)用 ，發(fā)生兩次上下文切換

• 調(diào)用 syscall 從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)
• syscall 返回從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)

如圖所示，傳統(tǒng) io 的過程中，發(fā)生了4次空間切換 + 4次拷貝

不難看出，傳統(tǒng)模式下的IO，涉及多次空間切換和數(shù)據(jù)冗余拷貝，效率并不高。而零拷貝 Zero-Copy 目的就是降低冗余數(shù)據(jù)拷貝，解放 CPU

• 減少數(shù)據(jù)在內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶緩沖區(qū)之間的冗余拷貝（CPU拷貝）
• 減少系統(tǒng)調(diào)用導(dǎo)致的空間切換

目前來看，零拷貝技術(shù)的實現(xiàn)手段主要包括：mmap+write、sendfile、sendfile+DMA、splice

零拷貝

首先解釋一下，零拷貝中的0，指的是CPU級別的數(shù)據(jù)拷貝(比如內(nèi)核緩沖區(qū)到用戶緩沖區(qū)的拷貝，用戶緩沖區(qū)再到socket緩沖區(qū); 或者內(nèi)核緩沖區(qū)直接到socket緩沖區(qū)的拷貝！)，并不是DMA硬件的拷貝，否則數(shù)據(jù)不靠DMA怎么轉(zhuǎn)移呢？

mmap+write

• 內(nèi)存映射 memory mapping，mmap 是一種內(nèi)存映射文件的方法，即將一個文件或者其他對象映射到進程的地址空間，實現(xiàn)文件磁盤地址和進程虛擬地址空間中一段虛擬地址的一一映射關(guān)系。

mmap可以充當(dāng)read的功能，將內(nèi)核讀緩沖區(qū)地址與用戶緩沖區(qū)地址進行映射，實現(xiàn)內(nèi)核緩沖區(qū)與用戶緩沖區(qū)的共享。這樣就減少了一次用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的CPU拷貝。

mmap + write 流程如圖所示，發(fā)生了4次切換 + 2次DMA拷貝 + 1次CPU拷貝

函數(shù)原型

#include <sys/mman.h>// 內(nèi)存映射void* mmap(void* start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);/*參數(shù)start：指定映射的虛擬內(nèi)存地址，通常定義為 NULL，由內(nèi)核選定地址length：映射的長度prot：描述映射內(nèi)存的訪問權(quán)限PROT_EXEC頁面可以被 cpu 執(zhí)行指令組成，PROT_NONE 頁面不能訪問PROT_READ 頁面可讀，PROT_WRITE 頁面可寫，flags：指定映射的類型，MAP_SHARED共享對象，MAP_PRIVATE私有的，寫時復(fù)制對象fd：要進行映射的文件句柄offset：文件偏移量*/// 解除映射int munmap(void *addr, size_t length);

例： 發(fā)送方:

// 建立內(nèi)存映射char *pMap = (char*) mmap (NULL, fileInfo.st_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); send(clientFd, pMap, fileInfo.st_size, 0);// 解除映射munmap(pMap, fileInfo.st_size); 

接收方:

// 使用 mmap 前用使用 ftruncate 來擴大文件大小ftruncate(fd, fileSize);char *pMap = (char*) mmap (NULL, fileSize, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);recvCycle(sfd, pMap, fileSize);munmap(pMap, fileSize);

小結(jié)

mmap充當(dāng)read的功能，進行一次完整的IO，減少了傳統(tǒng)方式read數(shù)據(jù)的時候，從內(nèi)核態(tài)CPU拷貝到用戶態(tài)的這次拷貝; (發(fā)生了4次切換 + 2次DMA拷貝 + 1次CPU拷貝;)

mmap 存在的問題：mmap 對大文件傳輸有一定優(yōu)勢，但是小文件可能出現(xiàn)碎片，并且在多個進程同時操作文件時可能產(chǎn)生引發(fā) coredump 的 signal。

sendfile

mmap+write 方式有一定改進，但是由系統(tǒng)調(diào)用引起的狀態(tài)切換并沒有減少，因此在 Linux 內(nèi)核2.1版本中引入了 sendfile 系統(tǒng)調(diào)用。

sendfile 在兩個文件之間通過內(nèi)核直接傳輸數(shù)據(jù)，避免了內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)拷貝操作。sendfile 只能用于發(fā)送數(shù)據(jù)，不能用于接收數(shù)據(jù)。

sendfile 方式只使用一個函數(shù)就可以完成之前的 read+write 和 mmap+write 的功能，這樣減少一個系統(tǒng)調(diào)用（2次狀態(tài)切換），由于數(shù)據(jù)不經(jīng)過用戶緩沖區(qū)，因此該數(shù)據(jù)無法被修改。

sendfile 的流程如圖所示， 發(fā)生了2次切換 + 2次DMA拷貝+1次CPU拷貝

sendfile + DMA

linux2.4版本后，對 sendfile 系統(tǒng)調(diào)用進行優(yōu)化，配合硬件 DMA，可以直接從內(nèi)核空間緩沖區(qū)中將數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡，徹底省去了CPU拷貝。

如圖所示，sendfile + DMA 的過程中發(fā)生了2次切換 + 2次DMA拷貝 + 0次CPU拷貝

sendfile 函數(shù)原型

#include <sys/sendfile.h>ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);/*參數(shù)- out_fd：待寫入內(nèi)容的文件描述符- in_fd：待讀出內(nèi)容的文件描述符- offset：文件偏移量- count：傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)*/

例:

發(fā)送方

sendfile(clientFd, fd, 0, fileInfo.st_size);

小結(jié)

早期sendfile ： 2次切換 (sendfile后，數(shù)據(jù)不用過用戶層了，導(dǎo)致不能修改了，不過也少了兩次狀態(tài)切換！)+ 2次DMA拷貝（磁盤到內(nèi)核，socket緩沖區(qū)到網(wǎng)卡）+ 1次CPU拷貝(內(nèi)核到socket緩沖區(qū))

改良的sendfile + DMA ： 發(fā)生了2次切換 + 2次DMA拷貝（磁盤到內(nèi)核，內(nèi)核直接到網(wǎng)卡） + 0次CPU拷貝

sendfile 存在的問題：無法對數(shù)據(jù)進行修改(數(shù)據(jù)沒上到用戶層，也沒必要，webserver一般都不需要修改，返回的本地的資源！)，并且需要硬件層面DMA的支持，并且 sendfile 只能將文件數(shù)據(jù)拷貝到 socketfd，有一定的局限性。

splice

splice 系統(tǒng)調(diào)用在 Linux 2.6 版本引入，不需要硬件支持，并且不再限定于 socket 上，實現(xiàn)了兩個普通文件之間的零拷貝。

可以在內(nèi)核緩沖區(qū)和 socket 緩沖區(qū)間建立管道來傳輸數(shù)據(jù)，避免了兩者之間的 CPU 拷貝操作。

函數(shù)原型

#define _GNU_SOURCE #include <fcntl.h>ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out, loff_t *off_out, size_t len, unsigned int flags);/*返回值；成功返回接收到的字節(jié)數(shù)，失敗-1參數(shù)- fd_in：待輸入數(shù)據(jù)的文件描述符。- off_in: 輸入流偏移量。若 fd_in 是管道文件描述符，則設(shè)置為 NULL，表示從當(dāng)前偏移讀入。   否則，off_in 表示從輸入數(shù)據(jù)流的某處開始讀取。- fd_out：待輸出數(shù)據(jù)的文件描述符。- off_out：輸出流偏移量，同上。- len：單次寫入的數(shù)據(jù)長度，最多65536- flags：0*/

例：web服務(wù)器端代碼: transFile.c：

int fds[2];pipe(fds);int recvLen = 0;//當(dāng)讀到的數(shù)據(jù)量超過文件大小時，即已經(jīng)讀取數(shù)據(jù)完成while(recvLen < fileInfo.st_size){    //將數(shù)據(jù)從服務(wù)器端本地讀到管道    ret = splice(fd, 0, fds[1], 0, 65536, 0);    //將數(shù)據(jù)從管道讀到客戶端    ret = splice(fds[0], 0, clientFd, 0, ret, 0);    //計算已經(jīng)讀到的數(shù)據(jù)量    recvLen += ret;}

小結(jié)

splice 引入管道機制，實現(xiàn)了普通文件之間的0拷貝，突破了僅限于socket的sendfile0拷貝;

splice 存在的問題：它的兩個文件描述符中有一個必須是管道設(shè)備

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