linux提供的零拷贝技术

Linux 提供了多种 零拷贝（Zero-Copy） 技术，主要用于 减少 CPU 开销、提高数据传输效率，适用于 高性能网络传输、文件 I/O 等场景。以下是 Linux 常见的 零拷贝技术：

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1. sendfile()

🔹 适用于：文件传输（文件 → 套接字）
🔹 原理：

• 直接将文件从 内核缓冲区 发送到 Socket，避免用户态与内核态的额外拷贝。

🔹 传统文件传输（无零拷贝）

1. read()：从磁盘读取数据到 内核缓冲区（Page Cache）。
2. 拷贝到用户态缓冲区。
3. write()：再拷贝到 Socket 缓冲区。
4. 发送到网卡。

🔹 使用 sendfile() 的零拷贝方式

1. 从磁盘读取数据到内核缓冲区。
2. 直接从内核缓冲区发送到 Socket（避免用户态拷贝）。
3. 数据传输到网卡。

🔹 示例代码

int file_fd = open("test.txt", O_RDONLY);
int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
sendfile(sock_fd, file_fd, NULL, file_size); // 直接从文件到 Socket

✅ 减少两次 CPU 拷贝，提高传输效率！ 🚀

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2. mmap() + write()

🔹 适用于：文件 I/O（文件 → 用户进程 → Socket）
🔹 原理：

• 通过 mmap() 将文件映射到 用户态地址空间，减少 read() 调用的 用户态拷贝，但仍需要 write() 将数据从用户态发送到 Socket。

🔹 传统方式：

int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
char buffer[4096];
read(fd, buffer, sizeof(buffer));
write(socket_fd, buffer, sizeof(buffer)); // 需要额外拷贝

🔹 mmap() 方式（减少一次拷贝）

void *mapped = mmap(NULL, file_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, file_fd, 0);
write(socket_fd, mapped, file_size); // 直接从 mmap 映射区发送
munmap(mapped, file_size);

✅ 避免 read() 额外拷贝，减少 CPU 消耗！ 🚀

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3. splice()

🔹 适用于：管道传输（文件 → 管道 → 套接字）
🔹 原理：

• 允许 两个文件描述符之间 直接传输数据，而不经过用户态，提高数据传输效率。
• 常用于 文件 → Socket、Socket → Socket 传输，如 网络代理、文件服务器 等。

🔹 示例：从文件直接发送到网络

int pipefd[2];
pipe(pipefd);
splice(file_fd, NULL, pipefd[1], NULL, file_size, SPLICE_F_MOVE);
splice(pipefd[0], NULL, socket_fd, NULL, file_size, SPLICE_F_MOVE);

✅ 适用于管道数据流，避免用户态拷贝，提高吞吐量！ 🚀

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4. vmsplice()

🔹 适用于：用户态内存数据 → 管道 → 套接字
🔹 原理：

• vmsplice() 允许 将用户态的缓冲区直接映射到内核管道，减少用户态 → 内核态拷贝。
• 类似 splice()，但 vmsplice() 作用于 用户空间 缓冲区，而 splice() 作用于 文件描述符。

🔹 示例：用户态数据发送到管道

struct iovec iov;
iov.iov_base = user_buffer;
iov.iov_len = buffer_size;
vmsplice(pipefd[1], &iov, 1, 0); // 直接将用户缓冲区映射到管道

✅ 减少用户态数据拷贝，提高管道传输效率！ 🚀

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5. TCP Zero Copy (MSG_ZEROCOPY)

🔹 适用于：网络传输（应用缓冲区 → TCP）
🔹 原理：

• MSG_ZEROCOPY 允许 send() 直接使用用户态缓冲区，避免 额外拷贝到 Socket 发送缓冲区，适用于 大规模数据传输。
• 适用于 Linux 4.14+ 版本，但仅适用于 支持 DMA 的网卡（如高性能网络设备）。

🔹 示例：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
send(sockfd, user_buffer, buffer_size, MSG_ZEROCOPY); // 直接发送用户态数据

✅ 减少数据拷贝，提高 TCP 高吞吐量传输性能！ 🚀

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6. io_uring（Linux 5.1+）

🔹 适用于：异步 I/O（文件、Socket、磁盘 I/O）
🔹 原理：

• io_uring 是 Linux 5.1 引入的新一代 异步 I/O 机制，避免内核与用户态之间的频繁切换。
• 通过 共享环形缓冲区，减少系统调用，提高 I/O 性能。

🔹 示例：使用 io_uring 发送文件

io_uring_queue_init(32, &ring, 0);
struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
io_uring_prep_send(sqe, sockfd, buffer, buffer_size, 0);
io_uring_submit(&ring);

✅ 提供真正的零拷贝异步 I/O，性能比 sendfile() 更强！ 🚀

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总结：Linux 零拷贝技术对比

技术	适用场景	减少的拷贝次数	适用版本
sendfile()	文件 → Socket	2 次	Linux 2.1+
mmap() + write()	文件 → Socket	1 次	Linux 2.1+
splice()	文件/管道 → Socket	2 次	Linux 2.6.17+
vmsplice()	用户缓冲区 → 管道	1 次	Linux 2.6.17+
MSG_ZEROCOPY	TCP 传输	1 次	Linux 4.14+
io_uring	异步文件/Socket I/O	2 次	Linux 5.1+

💡 最佳选择

• 高效文件传输：sendfile()（兼容性好，性能高）
• 管道数据流处理：splice()（高吞吐）
• 用户态数据直接发送：MSG_ZEROCOPY（适用于 TCP 传输）
• 最先进的方案：io_uring（适用于现代异步 I/O）