六张图讲清楚Linux零拷贝技术

大家好，今天让我们聊一聊Linux零拷贝技术。我们将以sendfile系统调用作为切入点，深入探讨零拷贝技术的基本原理。零拷贝技术的核心思想是尽量减少数据在内存之间的复制，通过优化数据传输路径，提高数据传输的效率和性能。

1.零拷贝技术简介

Linux零拷贝技术是一项用于优化数据传输的技术，通过减少数据在内核态和用户态之间的复制次数，从而提高数据传输的效率。

在数据传输的过程中，通常需要将数据从内核缓冲区复制到应用程序的缓冲区，再从应用程序缓冲区复制到网络设备的缓冲区，最终才能完成发送。

零拷贝技术的优势在于能够直接传输数据，无需经过中间复制的步骤，这有助于提高数据传输的效率。

Linux零拷贝技术实现方式：

• sendfile系统调用：sendfile系统调用可以在内核态中直接将文件内容发送到网络设备的缓冲区，避免了数据在用户态和内核态之间的拷贝。
• splice系统调用：splice系统调用可以将一个文件描述符的数据直接传输到另一个文件描述符，也可以将数据从一个文件描述符传输到网络设备的缓冲区，避免了中间的拷贝过程。
• mmap和write系统调用：mmap系统调用可以将文件映射到内存中，然后使用write系统调用将内存中的数据直接发送到网络设备的缓冲区，避免了数据在用户态和内核态之间的拷贝。
• DMA（Direct Memory Access）：DMA是一种硬件技术，可以直接将数据从内存传输到网络设备的缓冲区，避免了CPU的介入，提高了数据传输的效率。

2.sendfile系统调用

sendfile系统调用可以在内核空间内直接传输文件数据，它通过将数据从一个文件描述符复制到另一个文件描述符的发送缓冲区来实现。这样一来，数据可以通过网络协议栈直接发送出去，避免了在用户空间和内核空间之间频繁的数据拷贝操作。

这样就避免了数据在内核和用户空间之间的复制，提高了传输效率。

sendfile系统调用函数原型：

#include 
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

参数说明：
out_fd：目标文件描述符，用于发送数据。
in_fd：源文件描述符，从该文件读取数据。
offset：指定从源文件的哪个位置开始读取数据，可以为NULL表示从当前位置开始。
count：要传输的字节数。

返回值：
成功：返回写入out_fd文件的字节数。
失败：返回-1，并设置errno。

3.sendfile实现原理

3.1 传统方式发送文件

使用传统方式把一个文件通过socket发送出去，我们需要执行一个比较长的路径。

路径：磁盘->文件页缓存->用户缓冲区->套接字缓冲区->网卡。

上下文切换和内存拷贝情况如下：

• 上下文切换：4次（read调用，read返回，write调用，write返回）
• DMA拷贝：2次
• CPU拷贝：2次（文件页缓存->用户缓冲区，用户缓冲区->套接字缓冲区）

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3.2 sendfile发送文件

使用sendfile发送文件，相对来说整个路径会短一些。

路径：磁盘->文件页缓存->套接字缓冲区->网卡。

上下文切换和内存拷贝情况如下：

上下文切换：2次（sendfile调用，sendfile返回）

DMA拷贝：2次

CPU拷贝：1次（文件页缓存->套接字缓冲区）

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3.3 sendfile实现原理

sendfile实现的核心是管道，管道在Linux系统中应用的比较多，比如说通过管道实现进程间通信。

当需要将文件数据拷贝至socket缓冲区时，会临时创建一个管道（环形缓冲区），将文件数据先拷贝至管道，再将管道数据迁移至socket缓冲区，数据迁移并不是数据拷贝，只是将指针指向内存地址。

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3.4 小节

通过采用sendfile发送文件，可以减少2次上下文切换和1次CPU拷贝，如果我们的实际应用场景是需要进行大量的文件发送，采用sendfile能够很大程度上提高系统性能。

4.管道

4.1 管道简介

管道在Linux系统中应用很广泛，除了零拷贝技术使用到管道，进程间通信同样使用到管道，那么管道到底是什么？

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管道是什么？

管道其实就是一个环形缓冲区，通过管道可以将数据从一个文件拷贝另外一个文件。

管道由struct pipe_inode_info结构体定义，该数据结构有4个重要成员：

• pipe_buffer：管道缓冲区数组，一个固定长度的数组，每个数组成员都是一个缓冲区，对应一个struct pipe_buffer结构。
• head：头部序号，表示当前可写缓冲区的位置，需要配合mask使用。
• tail：尾部序号，表示当前可读缓冲区的位置，需要配合mask使用。
• ring_size：管道缓冲区数组长度，ring_size – 1计算出mask，head & mask获取当前可写缓冲区数组下标，tail & mask获取当前可读缓冲区数组下标。

管道缓冲区由struct pipe_buffer定义，该结构有3个重要成员：

• page：页指针
• offset：数据在页中偏移
• len：数据长度

管道已满或为空判断？

管道已满判断：

head – tail >= ring_size，表示管道已满。

管道为空判断：

head == tail，表示管道为空。