Linux 零拷贝技术

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使用标准I/O的痛点
零拷贝技术介绍

使用标准I/O的痛点

在Linux中标准I/O操作都是基于数据拷贝的缓冲机制，从内核中拷贝数据到用户空间的缓冲区中，然后将用户缓冲区中的数据拷贝至内核中。所以I/O操作频繁的使用会导致数据在内核和用户空间之间进行频繁的切换，这样做的好处虽然是可以通过缓冲机制减少实际的I/O系统调用，但是在数据拷贝的过程中会额外增加CPU的开销。

这里我们主要讨论如何在I/O操作的时候，有效减少数据拷贝，数据拷贝就是通过 copy_to_user 或者 copy_from_user将数据在内核和用户空间之间相互拷贝的操作，如下：
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DMA（Direct Memory Access）：直接存储器访问。DMA是一种无需CPU的参与，让外设和系统内存之间进行双向数据传输的硬件机制。使用DMA可以使系统CPU从实际的I/O数据传输过程中摆脱出来，从而大大提高系统的吞吐率。

零拷贝技术介绍

零拷贝技术，就是避免将数据从一块存储区拷贝至另一块存储区的技术，减少了数据拷贝所带来的CPU开销。但是零拷贝并不是将拷贝操作完全消除，百度如下：

零复制（英语：Zero-copy；也译零拷贝）技术是指计算机执行操作时，CPU不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域。这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。

目前零拷贝技术主要有三种类型：

使用文件I/O：文件I/O不提供缓冲机制，每次使用都会引起系统调用，文件I/O的操作是在用户地址空间与IO设备之间传递。
避免内核与用户空间之间的数据拷贝：通过避免内核与用户空间之间的数据拷贝，来实现零拷贝。
写时复制技术：数据不会立即拷贝，而是等需要修改的时候再进行部分拷贝，感觉这一部分的技术逻辑与Make相似。

下面主要讨论在网络编程时，读取本地文件，通过socket发送出去场景下的零拷贝技术。

直接I/O操作

直接跨过内核，使运行在用户态下直接访问硬件设备，数据跨过内核进行传输，内核仅仅做一些必要的虚拟存储配置工作，工作逻辑如下：
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缺陷：

这种方法只能适用于那些不需要内核缓冲区处理的应用程序，这些应用程序通常在进程地址空间有自己的数据缓存机制，称为自缓存应用程序，如数据库管理系统就是一个代表。
这种方法直接操作磁盘 I/O，由于 CPU 和磁盘 I/O 之间的执行时间差距，会造成资源的浪费，解决这个问题需要和异步 I/O 结合使用。

mmap内存映射

首先了解虚拟内存与物理地址的映射关系，虚拟内存是OS为了方便用户操作而实现对物理地址的抽象，虚拟内存与物理内存之间通过页表进行关联。每个进程都有自己的页表，页表负责从虚拟内存到物理内存的映射，如下：

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每个进程都有自己的PageTable，进程的虚拟内存地址通过PageTable对应于物理内存，内存分配具有惰性，它的过程一般是这样的：进程创建后新建与进程对应的PageTable，当进程需要内存时会通过PageTable寻找物理内存，如果没有找到对应的页帧就会发生缺页中断，从而创建PageTable与物理内存的对应关系。虚拟内存不仅可以对物理内存进行扩展，还可以更方便地灵活分配，并对编程提供更友好的操作

内存映射（mmap）就是说，将用户空间和内核空间的虚拟地址映射到同一块物理内存中，所以用户就可以在用户空间直接访问内核中的数据了，如下：
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所以mmap并没有为用户提供直接操作内核地址空间的能力，而是通过内存映射机制，将内核中的部分内存空间映射到用户空间中（相同的物理内存），从而使用户可以直接访问内核空间的地址。mmap函数原型如下：

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);

注意，调用mmap之后，并不会立即读取文件内容并加载到物理内存中，而是会在虚拟内存中分配地址空间，而实际要访问数据的时候，会因为内存地址对应的物理内存中没有数据，产生“缺页”异常，然后触发数据加载。

在mmap支持下的操作流程如下：
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用户进程通过系统调用mmap函数进入内核态，发生第1次上下文切换，并建立内核缓冲区；
发生缺页中断，CPU通知DMA读取数据；
DMA拷贝数据到物理内存，并建立内核缓冲区和物理内存的映射关系；
建立用户空间的进程缓冲区和同一块物理内存的映射关系，由内核态转变为用户态，发生第2次上下文切换；
用户进程进行逻辑处理后，通过系统调用Socket send，用户态进入内核态，发生第3次上下文切换；
系统调用Send创建网络缓冲区，并拷贝内核读缓冲区数据；
DMA控制器将网络缓冲区的数据发送网卡，并返回，由内核态进入用户态，发生第4次上下文切换；

缺点：

针对大文件比较适合mmap，小文件则会造成较多的内存碎片，得不偿失
当mmap一个文件时，如果文件被另一个进程截获可能会因为非法访问导致进程被SIGBUS 信号终止；解决这个问题通常使用文件的租借锁：首先为文件申请一个租借锁，当其他进程想要截断这个文件时，内核会发送一个实时的 RT_SIGNAL_LEASE 信号，告诉当前进程有进程在试图破坏文件，这样 write 在被 SIGBUS 杀死之前，会被中断，返回已经写入的字节数，并设置 errno 为 success。

sendfile 在文件描述符之间传递数据

通过sendfile，可以实现在内核态中传递数据，即内核态中在两个文件描述符之间传递数据，这样就避免了用户空间与内核之间的数据拷贝，sendfile函数原型如下：

#include <sys/sendfile.h>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

in_fd参数是数据源的文件描述符，out_fd参数是待输出的文件描述符，in_fd必须是一个可以mmap的文件描述符，必须指向真实的文件，不能是socket等，而out_fd必须是一个socket。

在2.6.33之前Sendfile的out_fd必须是socket，因此sendfile几乎成了专为网络传输而设计的，限制了其使用范围比较狭窄。2.6.33之后out_fd才可以是任何file，于是乎出现了splice。

执行流程如下：
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1.用户进程调用sendfile系统调用，进入内核态

2.CPU通知DMA将数据拷贝至内核缓冲区

3.内核自动将数据从内核缓冲区拷贝至网络缓冲区

4.通过DMA向网卡发送数据

5.sendfile调用完成，有内核态返回用户态

PS：在Linux 2.4版本中，对sendfile进一步做了优化，之前从“文件数据缓存”到“socket缓存”时候，也需要一次拷贝，优化之后，“socket缓存”中只存储要发送的数据在“文件数据缓存”中的位置和偏移量，在实际发送时，根据位置和偏移量直接将“文件数据缓存”中的数据拷贝到网卡设备中，又省掉了一次拷贝操作。如下：