一文让你彻底搞清楚，Linux零拷贝技术的那些事儿

2022-05-04 Linux零拷贝

1.前言像大白这种调包侠，深知不懂底层技术点就如同空中楼阁，再这样下去面阿里p10是没希望了。
想到这里，我开始慌了，所以今天和大家一起学习个底层技术点-零拷贝Zero-Copy 。
linux系统中一切皆文件，仔细想一下Linux系统的很多活动无外乎读操作和写操作，零拷贝就是为了提高读写性能而出现的。
废话不多说，马上开大车，走起！

2. 数据拷贝基础过程在Linux系统内部缓存和内存容量都是有限的，更多的数据都是存储在磁盘中。对于Web服务器来说，经常需要从磁盘中读取数据到内存，然后再通过网卡传输给用户：

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上述数据流转只是大框，接下来看看几种模式。
2.1 仅CPU方式

当应用程序需要读取磁盘数据时，调用read()从用户态陷入内核态，read()这个系统调用最终由CPU来完成；
CPU向磁盘发起I/O请求，磁盘收到之后开始准备数据；
磁盘将数据放到磁盘缓冲区之后，向CPU发起I/O中断，报告CPU数据已经Ready了；
CPU收到磁盘控制器的I/O中断之后，开始拷贝数据，完成之后read()返回，再从内核态切换到用户态；

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2.2 CPU&DMA方式CPU的时间宝贵，让它做杂活就是浪费资源。
直接内存访问（Direct Memory Access），是一种硬件设备绕开CPU独立直接访问内存的机制。所以DMA在一定程度上解放了CPU，把之前CPU的杂活让硬件直接自己做了，提高了CPU效率。
目前支持DMA的硬件包括：网卡、声卡、显卡、磁盘控制器等。

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有了DMA的参与之后的流程发生了一些变化：

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最主要的变化是，CPU不再和磁盘直接交互，而是DMA和磁盘交互并且将数据从磁盘缓冲区拷贝到内核缓冲区，之后的过程类似。

“【敲黑板】无论从仅CPU方式和DMA&CPU方式，都存在多次冗余数据拷贝和内核态&用户态的切换。
”

我们继续思考Web服务器读取本地磁盘文件数据再通过网络传输给用户的详细过程。
3.普通模式数据交互一次完成的数据交互包括几个部分：系统调用syscall、CPU、DMA、网卡、磁盘等。

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系统调用syscall是应用程序和内核交互的桥梁，每次进行调用/返回就会产生两次切换：

调用syscall 从用户态切换到内核态
syscall返回从内核态切换到用户态

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来看下完整的数据拷贝过程简图：

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读数据过程：

应用程序要读取磁盘数据，调用read()函数从而实现用户态切换内核态，这是第1次状态切换；
DMA控制器将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区，这是第1次DMA拷贝；
CPU将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区，这是第1次CPU拷贝；
CPU完成拷贝之后，read()函数返回实现用户态切换用户态，这是第2次状态切换；

写数据过程：

应用程序要向网卡写数据，调用write()函数实现用户态切换内核态，这是第1次切换；
CPU将用户缓冲区数据拷贝到内核缓冲区，这是第1次CPU拷贝；
DMA控制器将数据从内核缓冲区复制到socket缓冲区，这是第1次DMA拷贝；
完成拷贝之后，write()函数返回实现内核态切换用户态，这是第2次切换；

综上所述：

读过程涉及2次空间切换、1次DMA拷贝、1次CPU拷贝；
写过程涉及2次空间切换、1次DMA拷贝、1次CPU拷贝；

可见传统模式下，涉及多次空间切换和数据冗余拷贝，效率并不高，接下来就该零拷贝技术出场了。
4. 零拷贝技术4.1 出现原因我们可以看到，如果应用程序不对数据做修改，从内核缓冲区到用户缓冲区，再从用户缓冲区到内核缓冲区。两次数据拷贝都需要CPU的参与，并且涉及用户态与内核态的多次切换，加重了CPU负担。

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