零拷贝

零拷贝是指计算机执行 IO 操作时，CPU 不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及 CPU的拷贝时间。它是一种I/O 操作优化技术。

• 传统IO的执行流程：传统的 IO 流程，包括 read 读 和 write写 的过程。

  • read：是数据从磁盘读取到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区
  • write：先是数据写入到 socket 缓冲区，最后写入网卡设备。
    

1. 用户应用进程调用 read 函数，向操作系统发起 IO 调用，上下文从用户态转为内核态（切换 1）
2. DMA 控制器将数据从磁盘中，读取到内核缓冲区。
3. CPU 将内核缓冲区数据，拷贝到用户应用缓冲区，上下文从内核态转为用户态（切换 2），read 函数返回
4. 用户应用进程通过 write 函数，发起 IO 调用，上下文从用户态转为内核态（切换3）
5. CPU 将用户缓冲区中的数据，拷贝到 socket 缓冲区
6. DMA 控制器将数据从 socket 缓冲区，拷贝到网卡设备，上下文从内核态切换回用户态（切换 4），write 函数返回

传统 IO 的读写流程，包括了 4 次上下文切换（4 次用户态和内核态的切换），4次数据拷贝（两次 CPU 拷贝以及两次 DMA 拷贝)。

• 零拷贝实现方式：零拷贝并不是没有拷贝数据，而是减少用户态/内核态的切换次数以及 CPU 拷贝的次数。零拷贝一般有这三种实现方式：

  • mmap+write：mmap 就是用了虚拟内存这个特点，它将内核中的读缓冲区与用户空间的缓冲区进行映射，以减少数据拷贝次数！

    

    1. 用户进程通过 mmap 方法向操作系统内核发起 IO 调用，上下文从用户态切换为内核态。
    2. CPU 利用DMA 控制器，将数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
    3. 上下文从内核态切换回用户态，mmap 方法返回。
    4. 用户进程通过 write 方法向操作系统内核发起 IO 调用，上下文从用户态切换为内核态。
    5. CPU 将内核缓冲区的数据拷贝到 socket 缓冲区。
    6. CPU 利用DMA 控制器，将数据从 socket 缓冲区拷贝到网卡，上下文从内核态切换回用户态，write 调用返回。

  mmap+write实现的零拷贝，I/O发生了4次用户空间与内核空间的上下文切换，以及3次数据拷贝（包括了2次DMA拷贝和1次CPU拷贝）。

  • sendfile：表示在两个文件描述符之间传输数据，它是在操作系统内核中操作的，避免了数据从内核缓冲区和用户缓冲区之间的拷贝操作

    

    1. 用户进程发起 sendfile 系统调用，上下文（切换 1）从用户态转向内核态
    2. DMA 控制器，将数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
    3. CPU 将读缓冲区中数据拷贝到 socket 缓冲区
    4. DMA 控制器，异步将数据从 socket 缓冲区拷贝到网卡，
    5. 上下文（切换 2）从内核态切换回用户态，sendfile 调用返回。

  sendfile 实现的零拷贝，I/O 发生了 2 次用户空间与内核空间的上下文切换，以及 3 次数据拷贝。其中 3 次数据拷贝中，包括了 2 次 DMA 拷贝和 1 次 CPU拷贝。

  • **sendfile+DMA **（需要网卡支持）：linux 2.4 版本之后，对 sendfile 做了优化升级，引入 SG-DMA 技术，其实就是对DMA 拷贝加入了 scatter/gather 操作，它可以直接从内核空间缓冲区中将数据读取到网卡。使用这个特点搞零拷贝，即还可以多省去一次 CPU 拷贝。

1. 用户进程发起 sendfile 系统调用，上下文（切换 1）从用户态转向内核态
2. DMA 控制器，将数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
3. CPU 将内核缓冲区中的文件描述符信息（包括内核缓冲区的内存地址和偏移量）发送到socket 缓冲区
4. DMA 控制器根据文件描述符信息，直接将数据从内核缓冲区拷贝到网卡
5. 上下文（切换 2）从内核态切换回用户态，sendfile 调用返回。

sendfile+DMA scatter/gather 实现的零拷贝，I/O 发生了 2次用户空间与内核空间的上下文切换，以及 2 次数据拷贝。其中 2 次数据拷贝都是DMA 拷贝。这就是真正的 零拷贝（Zero-copy) 技术，全程都没有通过 CPU 来搬运数据，所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的