Linux 零拷贝技术-mmap 和 sendfile

零拷贝

零拷贝是网络编程的关键, 很多性能优化都离不开。像kafka、nginx、tomcat中都使用了零拷贝技术。
一般来说从数据角度分析: 在零拷贝机制中, 整个数据在内存中只有一份数据；非零拷贝机制中 , 内核缓冲区 , 用户缓冲区 , Socket 缓冲区 , 各有一份数据;
零拷贝是什么：指的是没有CPU 拷贝, 都是 DMA ( 直接内存访问 ) 拷贝;
零拷贝性能优势: 没有复制数据带来的内存开销 , 没有 CPU 拷贝 , 直接节省了大量 CPU 计算资源 ;

一般场景

1、普通io读取本地文件，网络发送：

File file = new File("index.html");
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
byte[] arr = new byte[(int)file.length()];
raf.read(arr);
Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
socket.getOutputStream().write(arr);

2、具体步骤：

下面说说他们的步骤：

read调用有两次内存拷贝

（0）发生一次用户态到内核态的上下文切换。

（1）第一次复制开始：DMA（Direct Memory Access，直接内存存取，即不使用 CPU 拷贝数据到内存，而是 DMA 引擎传输数据到内存，用于解放 CPU）引擎从磁盘读取index.html文件，并将数据放入到内核缓冲区。

（2）发生第二次数据拷贝，即：将内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区，同时，发生了一次用内核态到用户态的上下文切换。

write调用有两次内存拷贝

（3）发生第三次数据拷贝，我们调用 write 方法，系统将用户缓冲区的数据拷贝到 Socket 缓冲区。此时，又发生了一次用户态到内核态的上下文切换。

（4）第四次拷贝，数据异步的从 Socket 缓冲区，使用 DMA 引擎拷贝到网络协议引擎。这一段，不需要进行上下文切换。

（5）write 方法返回，再次从内核态切换到用户态。

从本地磁盘读取数据，通过网络发送出去，用户态和内核态之间需要发生4次切换；数据从磁盘取出来之后，一共要经过4次拷贝。

注意：读写文件100M文件，不是分配100M内存，而是分配64k内存循环读写，否则直接分配100M，其他应用就容易被挂起。

send是写内存缓冲区成功,不是写到网络成功,网络可能一直发送不完。所以下次send的时候可能失败,因为buffer满,没发送出去.

使用mmap（内存映射）实现零拷贝

把磁盘文件映射到内存中，然后把映射到内存的数据通过Socket发送出去。

buf = mmap(file, len);
write(sockfd, buf, len);

mmap(内存映射): 直接将磁盘文件数基于DMA引擎拷贝据映射到内核缓冲区，同时用户缓冲区是跟内核缓冲区共享一块映射数据，建立映射后，不需要从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。可减少一次拷贝。总共是4次切换，3次拷贝。

使用 sendFile 实现零拷贝

Linux提供sendfile技术。Kafka中，transferFrom和transferTo方法。

只要2次切换，2次拷贝。

用户态切换到内核态，DMA 引擎从文件拷贝到内核缓冲区，同时从内环缓冲区拷贝一些offset和length数据到socket缓冲区
从内核态切换到用户态，从内核缓冲区直接把数据拷贝到网络协议引擎里去，同时从Socket缓冲区拷贝一些offset和length信息到网络协议引擎里去

offset和length量几乎可以忽略。

零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的 CPU 缓存伪共享以及无 CPU 校验和计算。

各种框架使用零拷贝案例

1、nginx作为静态服务器时，采用sendfile()方式可以减少上下文切换和系统拷贝从而提高系统性能；但是nginx作为反向代理服务器时，就没有效果了，因为sendfile()的作用是发送文件，也就是接收数据的一段是文件句柄，发送数据的那一端是socket。而在做反向代理服务器的时候，两端都是socket，此时无法使用sendfile()，也就不存在性能提升这一说了。

linux 使用sendfile（https://linuxcpp.0voice.com/?id=23881）

#include <sys/sendfile.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#define BUF_SIZE 4096
int main(int argc, char *argv[]) {
    int fd, sock_fd;
    off_t offset = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    
    // 创建TCP socket
    if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        perror("socket");
        return 1;
    }
    
    // 设置目标地址和端口号
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(8888);
    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("inet_pton");
        return 1;
    }
    
    // 连接到服务器
    if (connect(sock_fd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1) {
        perror("connect");
        return 1;
    }
    
    // 打开本地文件并读取内容
    if ((fd = open("example.txt", O_RDONLY)) == -1) {
        perror("open");
        return 1;
     }
     
     // 使用sendfile函数将文件内容发送到socket
     ssize_t sent_bytes;
     char buf[BUF_SIZE];
     while ((sent_bytes = sendfile(sock_fd, fd, &offset, BUF_SIZE)) > 0) {
         printf("%ld bytes sent\n", sent_bytes);
     }
     
     close(fd);
     close(sock_fd);
     
     return 0;
}

小结

mmap与sendFile区别

mmap 用于文件共享，很少用于socket操作，sendfile用于发送文件.
mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。
mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝；sendFile 需要 2 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝。
sendFile 可以利用 DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）。