零拷贝

传统IO

基于传统的IO方式,底层实际上通过调用read()write()来实现。

通过read()把数据从硬盘读取到内核缓冲区,再复制到用户缓冲区;然后再通过write()写入到socket缓冲区,最后写入网卡设备。

整个过程发生了4次用户态和内核态的上下文切换4次拷贝,具体流程如下:

(1)用户进程通过read()方法向操作系统发起调用,此时上下文从用户态转向内核态

(2)DMA控制器把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区

(3)CPU把读缓冲区数据拷贝到应用缓冲区,上下文从内核态转为用户态,read()返回

(4)用户进程通过write()方法发起调用,上下文从用户态转为内核态

(5)CPU将应用缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区

(6)DMA控制器把数据从socket缓冲区拷贝到网卡,上下文从内核态切换回用户态,write()返回

 

 

 

 

用户空间指的就是用户进程的运行空间,内核空间就是内核的运行空间。

如果进程运行在内核空间就是内核态,运行在用户空间就是用户态。

为了安全起见,他们之间是互相隔离的,而在用户态和内核态之间的上下文切换也是比较耗时的。

DMA拷贝:

因为对于一

个IO操作而言,都是通过CPU发出对应的指令来完成,但是相比CPU来说,IO的速度太慢了,CPU有大量的时间处于等待IO的状态。

因此就产生了DMA(Direct Memory Access)直接内存访问技术,本质上来说他就是一块主板上独立的芯片,通过它来进行内存和IO设备的数据传输,从而减少CPU的等待时间。

 

对于零拷贝而言,并非真的是完全没有数据拷贝的过程,只不过是减少用户态和内核态的切换次数以及CPU拷贝的次数。

 

 

mmap+write

mmap主要实现方式是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射,内核缓冲区和应用缓冲区共享,从而减少了从读缓冲区到用户缓冲区的一次CPU拷贝。

 

 

整个过程发生了4次用户态和内核态的上下文切换3次拷贝,具体流程如下:

  1. 用户进程通过mmap()方法向操作系统发起调用,上下文从用户态转向内核态
  2. DMA控制器把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区
  3. 上下文从内核态转为用户态,mmap调用返回
  4. 用户进程通过write()方法发起调用,上下文从用户态转为内核态
  5. CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
  6. DMA控制器把数据从socket缓冲区拷贝到网卡,上下文从内核态切换回用户态,write()返回

                                                         sendfile

 

 

整个过程发生了2次用户态和内核态的上下文切换3次拷贝,具体流程如下:

  1. 用户进程通过sendfile()方法向操作系统发起调用,上下文从用户态转向内核态
  2. DMA控制器把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区
  3. CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
  4. DMA控制器把数据从socket缓冲区拷贝到网卡,上下文从内核态切换回用户态,sendfile调用返回

 

 

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