图解｜零拷贝Zero-Copy技术大揭秘( 二 ) 1.前言像大白这种调包侠

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。
我们需要降低冗余数据拷贝、解放CPU ，这也就是零拷贝Zero-Copy技术。
4.2 解决思路目前来看，零拷贝技术的几个实现手段包括：mmap+write、sendfile、sendfile+DMA收集、splice等。

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4.2.1 mmap方式mmap是Linux提供的一种内存映射文件的机制，它实现了将内核中读缓冲区地址与用户空间缓冲区地址进行映射，从而实现内核缓冲区与用户缓冲区的共享。
这样就减少了一次用户态和内核态的CPU拷贝，但是在内核空间内仍然有一次CPU拷贝。

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mmap对大文件传输有一定优势，但是小文件可能出现碎片，并且在多个进程同时操作文件时可能产生引发coredump的signal 。
4.2.2 sendfile方式mmap+write方式有一定改进，但是由系统调用引起的状态切换并没有减少。
sendfile系统调用是在 Linux 内核2.1版本中被引入，它建立了两个文件之间的传输通道。
sendfile方式只使用一个函数就可以完成之前的read+write 和 mmap+write的功能，这样就少了2次状态切换，由于数据不经过用户缓冲区，因此该数据无法被修改。

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从图中可以看到，应用程序只需要调用sendfile函数即可完成，只有2次状态切换、1次CPU拷贝、2次DMA拷贝。
但是sendfile在内核缓冲区和socket缓冲区仍然存在一次CPU拷贝，或许这个还可以优化。
4.2.3 sendfile+DMA收集Linux 2.4 内核对 sendfile 系统调用进行优化，但是需要硬件DMA控制器的配合。
升级后的sendfile将内核空间缓冲区中对应的数据描述信息（文件描述符、地址偏移量等信息）记录到socket缓冲区中。
DMA控制器根据socket缓冲区中的地址和偏移量将数据从内核缓冲区拷贝到网卡中，从而省去了内核空间中仅剩1次CPU拷贝。

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这种方式有2次状态切换、0次CPU拷贝、2次DMA拷贝，但是仍然无法对数据进行修改，并且需要硬件层面DMA的支持，并且sendfile只能将文件数据拷贝到socket描述符上，有一定的局限性。
4.2.4 splice方式splice系统调用是Linux 在 2.6 版本引入的，其不需要硬件支持，并且不再限定于socket上，实现两个普通文件之间的数据零拷贝。