零拷贝

一、概念

高速缓存PageCache

• 在内存中有一个分区用来缓存热点数据
• 有预读功能
• 读写速度比磁盘快
• 应用与内核态缓存区，如下文内核态缓存区

DMA技术

• 在进行I/O设备（如：磁盘）和内存进行数据传输时，由DMA负责数据搬运，而不需要CPU参与

上下文切换

一次系统调用会引起两次上下文切换：用户态 -> 内核态 -> 用户态

二、文件传输过程分析

以文件传输为例，分析传统文件传输和零拷贝技术的区别

传统文件传输（read+write）

• 系统调用：read(file, tmp_buf, len)、write(socket, tmp_buf, len)
• 2次系统调用，4次上下文切换
• 4次数据拷贝：2次DMA拷贝 + 2次CPU拷贝

mmap + write

• 系统调用：buf = mmap(file, len)、write(socket, buf, len)
• 2次系统调用，4次上下文切换
• 3次数据拷贝：2次DMA拷贝 + 1次CPU拷贝
• 使用场景：IO 多路复用（epoll）

sendfile

• 零拷贝：数据传输过程中，仅由DMA参与数据拷贝，CPU不参与
• 系统调用：sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count)
• 1次系统调用，2次上下文切换
• 2次数据拷贝：2次DMA拷贝
• 使用场景：kafka 发送消息

三、大文件传输

• 使用异步IO ，绕开PageCache，过程如图
• 为什么不用零拷贝？
  • 零拷贝使用了PageCache
  • 很快占满PageCache，导致热点小数据不能使用PageCache
  • 大文件PageCache命中率不高

四、参考

• 原来 8 张图，就可以搞懂「零拷贝」了