zero copy图解

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1 传统的IO读写

传统的IO读写有两种方式:IO终端和DMA。他们各自的原理如下。

1.1 IO中断原理

 

整个流程如下：

• 1.用户进程调用read等系统调用向操作系统发出IO请求，请求读取数据到自己的内存缓冲区中。自己进入阻塞状态。
• 2.操作系统收到请求后，进一步将IO请求发送磁盘。
• 3.磁盘驱动器收到内核的IO请求，把数据从磁盘读取到驱动器的缓冲中。此时不占用CPU。当驱动器的缓冲区被读满后，向内核发起中断信号告知自己缓冲区已满。
• 4.内核收到中断，使用CPU时间将磁盘驱动器的缓存中的数据拷贝到内核缓冲区中。
• 5.如果内核缓冲区的数据少于用户申请的读的数据，重复步骤3跟步骤4，直到内核缓冲区的数据足够多为止。
• 6.将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，同时从系统调用中返回。完成任务。

缺点：用户的每次IO请求，都需要CPU多次参与。

1.2 DMA原理

 

• 1.用户进程调用read等系统调用向操作系统发出IO请求，请求读取数据到自己的内存缓冲区中。自己进入阻塞状态。
• 2.操作系统收到请求后，进一步将IO请求发送DMA。然后让CPU干别的活去。
• 3.DMA进一步将IO请求发送给磁盘。
• 4.磁盘驱动器收到DMA的IO请求，把数据从磁盘读取到驱动器的缓冲中。当驱动器的缓冲区被读满后，向DMA发起中断信号告知自己缓冲区已满。
• 4.DMA收到磁盘驱动器的信号，将磁盘驱动器的缓存中的数据拷贝到内核缓冲区中。此时不占用CPU。这个时候只要内核缓冲区的数据少于用户申请的读的数据，内核就会一直重复步骤3跟步骤4，直到内核缓冲区的数据足够多为止。
• 5.当DMA读取了足够多的数据，就会发送中断信号给CPU。
• 6.CPU手动DMA的信号，知道数据已经准备好，于是将数据从内核拷贝到用户空间，系统调用返回。

跟IO中断模式相比，DMA模式下，DMA就是CPU的一个代理，它负责了一部分的拷贝工作，从而减轻了CPU的负担。
DMA的优点就是：中断少，CPU负担低。

2 文件到网络场景的zero copy技术

2.1 传统IO读写方式的问题

在读取文件数据然后发送到网络这个场景中，传统IO读写方式的过程如下。

 

由图可知，整个过程总共发生了四次拷贝和四次的用户态和内核态的切换。
用户态和内核态的切换如下。借个网上的图。

 

2.2 zero copy技术

 

zero copy技术就是减少不必要的内核缓冲区跟用户缓冲区间的拷贝，从而减少CPU的开销和内核态切换开销，达到性能的提升。
zero copy下，同样的读取文件然后通过网络发送出去，只需要拷贝三次，只发生两次内核态和用户态的切换。
再次盗用一下别人的图。

 

3 linux下的zero copy技术

linux下的用来实现zero copy的常见接口由如下几个：

• ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count)
• long splice(int fdin, int fdout, size_t len, unsigned int flags);
  这两个接口都可以用来在两个文件描述符之间传输数据，实现所谓的zero copy。
  splice接口则要求两个文件描述符中至少要有一个是pipe。

3.1 sendfile跟splice的局限性

上面提到的用来实现零拷贝的sendfile和splice接口，仅限于文件跟文件，文件跟sock之间传输数据，但是没法直接在两个socket之间传输数据的。这就是sendfile和splice接口的局限性。
如果要实现socket跟socket之间的数据直接拷贝，需要开辟一个pipe，然后调用两次splice。这样还是带来跟传统IO读写一样的问题。系能其实并没有什么大的提升。