零拷贝简析 | 青训营

零拷贝这个知识点在我过往的学习中从未有过接触，这次青训营有关零拷贝的课程很好的填补了这个空缺，这篇笔记就对零拷贝这个知识点做一个简单梳理。

传统文件传输过程

文件传输最普遍的一个场景就是，用户从本地发送一个文件通过网络传递给另一个用户，这一操作可以简化为两个系统调用

// 读取文件内容到缓冲区
read(file, buf, len);
// 通过socket发送数据给客户端
write(socket, buf, len);

深入这两个系统的调用的执行过程，我们可以得到以下流程图

可以发现在文件传输过程中，发生了四次内核上下文切换以及四次数据拷贝。我们知道，频繁的内核上下文切换资源开销比较大，所以在大批量文件传输的场景下势必会造成性能瓶颈。而从内核空间拷贝数据到用户空间同样也需要耗费较多资源。人们为此开始探究提升性能的方法，重点在于减少上下文切换以及CPU拷贝的次数，零拷贝的概念应运而生。

零拷贝

零拷贝并不是指的0次数据拷贝，而是减少用户态和内核态之间的CPU拷贝次数以及减少上下文切换次数。在介绍几种零拷贝的实现方式之前，先简要说一下CPU的数据拷贝方式

CPU数据拷贝方式

1. I/O轮询

   I/O轮询是最初计算机的数据拷贝方法，即CPU不断去查询数据是否准备就绪，一旦就绪进行拷贝，这种方式实现非常简单，但缺点也显而易见，其会占用CPU全部资源，导致运行效率低下。

2. 系统中断

   系统中断相比于I/O轮询方法，在一定程度上释放了CPU资源。它的核心思想是，在数据就绪前，CPU只需要发送一次I/O请求，随后就可以转去执行其他指令，当数据就绪后，I/O设备会发起一次中断请求，通知CPU数据准备就绪。但这种方式也有缺点，即在大数据量传输的情况下，CPU会反复中断从而影响整体执行效率。

3. DMA

   DMA就是在CPU和I\O设备之间设立了一层代理，CPU只需向DMA发起I\O请求，而后DMA会完成数据获取以及数据拷贝的工作，彻底减少了一次CPU拷贝。

零拷贝实现

1. mmap + write

2. sendfile

3. sendfile + gather DMA

4. splice

总结

用户要根据自己的业务需求选择合适的零拷贝方式，传输过程中如果需要修改文件内容，只能采用mmap的方式实现零拷贝。