零拷贝

大约 3 分钟

描述零拷贝的底层原理

一、问题背景

如何在磁盘IO成为性能瓶颈时，优化文件传输性能 ?

早期的IO操作(传统文件传输)，内存与磁盘的数据传输都是由CPU来完成的，而此时CPU不能执行其他任务，会特别浪费CPU。

服务端 → 客户端文件传输

零拷贝-实现方式：

mmap系统调用会直接把内核缓冲区中的数据映射到 用户空间，这样操作系统内核和 用户空间 就不需要再进行任何的 数据拷贝 操作。

mmap替换read，可减少1次数据拷贝过程。

共需 4次上下文切换 + 3次数据拷贝(2次DMA + 1次CPU拷贝)。

使用 sendfile 替代 read 和 write 两个系统调用，合并磁盘读取 + 网络发送两个操作，该系统调用可以直接把 内核缓冲区 中的数据拷贝至 Socket缓冲区，而无需拷贝至 用户空间。

sendfile 替换 read & write，可减少 2次上下文切换以及 1次数据拷贝。

共需 2次上下文切换 + 3次数据拷贝(2次DMA拷贝 + 1次CPU拷贝)。
alt text

然而以上均不是真正的零拷贝技术。

网卡支持 SG-DMA技术，可进一步减少通过CPU将 内核缓冲区 中的数据拷贝至 Socket缓冲区 的过程。

共需要 2次上下文切换 + 2次数据拷贝(2次DMA拷贝)
alt text

SG-DMA + sendfile 只需 2次数据拷贝，全程没有通过CPU来搬运数据，所有数据都是通过DMA传输。

注意：零拷贝技术不允许进程对文件内容做进一步加工。