浅析 Linux 中的零拷贝手艺
本文探讨Linux中 主要的几种零拷贝手艺 以及零拷贝手艺 适用的场景 。为了迅速建设起零拷贝的看法 ，我们拿一个常用的场景举行引入：
引文
在写一个效劳端程序时（Web Server或者文件效劳器） ，文件下载是一个基本功效 。这时间效劳端的使命是：将效劳端主机磁盘中的文件不做修改地从已毗连的socket发出去 ，我们通常用下面的代码完成：
while((n = read(diskfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)
write(sockfd, buf , n);
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基本操作就是循环的从磁盘读入文件内容到缓冲区 ，再将缓冲区的内容发送到socket 。可是由于Linux的I/O操作默认是缓冲I/O 。这内里主要使用的也就是read和write两个系统挪用 ，我们并不知道操作系统在其中做了什么 。现实上在以上I/O操作中 ，爆发了多次的数据拷贝 。
当应用程序会见某块数据时 ，操作系统首先会检查 ，是不是最近会见过此文件 ，文件内容是否缓保存内核缓冲区 ，若是是 ，操作系统则直接凭证read系统挪用提供的buf地点 ，将内核缓冲区的内容拷贝到buf所指定的用户空间缓冲区中去 。若是不是 ，操作系统则首先将磁盘上的数据拷贝的内核缓冲区 ，这一步现在主要依赖DMA来传输 ，然后再把内核缓冲区上的内容拷贝到用户缓冲区中 。
接下来 ，write系统挪用再把用户缓冲区的内容拷贝到网络客栈相关的内核缓冲区中 ，最后socket再把内核缓冲区的内容发送到网卡上 。说了这么多 ，不如看图清晰：
数据拷贝
从上图中可以看出 ，共爆发了四次数据拷贝 ，纵然使用了DMA来处置惩罚了与硬件的通讯 ，CPU仍然需要处置惩罚两次数据拷贝 ，与此同时 ，在用户态与内核态也爆发了多次上下文切换 ，无疑也加重了CPU肩负 。
在此历程中 ，我们没有对文件内容做任何修改 ，那么在内核空间和用户空间往返拷贝数据无疑就是一种铺张 ，而零拷贝主要就是为相识决这种低效性 。
什么是零拷贝手艺（zero-copy）？
零拷贝主要的使命就是阻止CPU将数据从一块存储拷贝到另外一块存储 ，主要就是使用种种零拷贝手艺 ，阻止让CPU做大宗的数据拷贝使命 ，镌汰不须要的拷贝 ，或者让别的组件来做这一类简朴的数据传输使命 ，让CPU解脱出来专注于别的使命 。这样就可以让系统资源的使用越发有用 。
我们继续回到引文中的例子 ，我们怎样镌汰数据拷贝的次数呢？一个很显着的着力点就是镌汰数据在内核空间和用户空间往返拷贝 ，这也引入了零拷贝的一个类型：
让数据传输不需要经由 user space 。
使用 mmap
我们镌汰拷贝次数的一种要领是挪用mmap()来取代read挪用：
buf = mmap(diskfd, len); write(sockfd, buf, len);
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应用程序挪用mmap() ，磁盘上的数据会通过DMA被拷贝的内核缓冲区 ，接着操作系统会把这段内核缓冲区与应用程序共享 ，这样就不需要把内核缓冲区的内容往用户空间拷贝 。应用程序再挪用write(),操作系统直接将内核缓冲区的内容拷贝到socket缓冲区中 ，这一切都爆发在内核态 ，最后 ，socket缓冲区再把数据发到网卡去 。同样的 ，看图很简朴：
mmap
使用mmap替换read很显着镌汰了一次拷贝 ，当拷贝数据量很大时 ，无疑提升了效率 。可是使用mmap是有价钱的 。当你使用mmap时 ，你可能会遇到一些隐藏的陷阱 。例如 ，当你的程序map了一个文件 ，可是当这个文件被另一个历程截断(truncate)时, write系统挪用会由于会见不法地点而被SIGBUS信号终止 。SIGBUS信号默认会杀死你的历程并爆发一个coredump,若是你的效劳器这样被中止了 ，那会爆发一笔损失 。
通常我们使用以下解决计划阻止这种问题：
1. 为SIGBUS信号建设信号处置惩罚程序
当遇到SIGBUS信号时 ，信号处置惩罚程序简朴地返回 ，write系统挪用在被中止之前会返回已经写入的字节数 ，并且errno会被设置成success,可是这是一种糟糕的处置惩罚步伐 ，由于你并没有解决问题的实质焦点 。
2. 使用文件租借锁
通常我们使用这种要领 ，在文件形貌符上使用租借锁 ，我们为文件向内核申请一个租借锁 ，当其它历程想要截断这个文件时 ，内核会向我们发送一个实时的RTSIGNALLEASE信号 ，告诉我们内核正在破损你加持在文件上的读写锁 。这样在程序会见不法内存并且被SIGBUS杀死之前 ，你的write系统挪用会被中止 。write会返回已经写入的字节数 ，并且置errno为success 。
我们应该在mmap文件之前加锁 ，并且在操作完文件后解锁：
if(fcntl(diskfd, F_SETSIG, RT_SIGNAL_LEASE) == -1) {
perror("kernel lease set signal");
return -1;
}
/* l_type can be F_RDLCK F_WRLCK 加锁*/
/* l_type can be F_UNLCK 解锁*/
if(fcntl(diskfd, F_SETLEASE, l_type)){
perror("kernel lease set type");
return -1;
}
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使用sendfile
从2.1版内核最先 ，Linux引入了sendfile来简化操作:
#include<sys/sendfile.h> ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
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系统挪用sendfile()在代表输入文件的形貌符infd和代表输出文件的形貌符outfd之间传送文件内容（字节） 。形貌符outfd必需指向一个套接字 ，而infd指向的文件必需是可以mmap的 。这些局限限制了sendfile的使用 ，使sendfile只能将数据从文件转达到套街勺酉 ，反之则不可 。
使用sendfile不但镌汰了数据拷贝的次数 ，还镌汰了上下文切换 ，数据传送始终只爆发在kernel space 。
sendfile系统挪用历程
在我们挪用sendfile时 ，若是有其它历程截断了文件会爆发什么呢？假设我们没有设置任何信号处置惩罚程序 ，sendfile挪用仅仅返回它在被中止之前已经传输的字节数 ，errno会被置为success 。若是我们在挪用sendfile之前给文件加了锁 ，sendfile的行为仍然和之前相同 ，我们还会收到RTSIGNALLEASE的信号 。
现在为止 ，我们已经镌汰了数据拷贝的次数了 ，可是仍然保存一次拷贝 ，就是页缓存到socket缓存的拷贝 。那么能不可把这个拷贝也省略呢？
借助于硬件上的资助 ，我们是可以办到的 。之前我们是把页缓存的数据拷贝到socket缓存中 ，现实上 ，我们仅仅需要把缓冲区形貌符传到socket缓冲区 ，再把数据长度传已往 ，这样DMA控制器直接将页缓存中的数据打包发送到网络中就可以了 。
总结一下 ，sendfile系统挪用使用DMA引擎将文件内容拷贝到内核缓冲区去 ，然后将带有文件位置和长度信息的缓冲区形貌符添加socket缓冲区去 ，这一步不会将内核中的数据拷贝到socket缓冲区中 ，DMA引擎会将内核缓冲区的数据拷贝到协议引擎中去 ，阻止了最后一次拷贝 。
带DMA的sendfile
不过这一种网络拷贝功效是需要硬件以及驱动程序支持的 。
使用splice
sendfile只适用于将数据从文件拷贝到套街勺酉 ，限制了它的使用规模 。Linux在2.6.17版本引入splice系统挪用 ，用于在两个文件形貌符中移动数据：
#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */ #include<fcntl.h> ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out, loff_t *off_out, size_t len, unsignedint flags);
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splice挪用在两个文件形貌符之间移动数据 ，而不需要数据在内核空间和用户空间往返拷贝 。他从fdin拷贝len长度的数据到fdout ，可是有一方必需是管道装备 ，这也是现在splice的一些局限性 。flags参数有以下几种取值：
SPLICEFMOVE ：实验去移动数据而不是拷贝数据 。这仅仅是对内核的一个小提醒：若是内核不可从pipe移动数据或者pipe的缓存不是一个整页面 ，仍然需要拷贝数据 。Linux最初的实现有些问题 ，以是从2.6.21最先这个选项不起作用 ，后面的Linux版本应该会实现 。
SPLICEFNONBLOCK ：splice 操作不会被壅闭 。然而 ，若是文件形貌符没有被设置为不可被壅闭方法的 I/O ，那么挪用 splice 有可能仍然被壅闭 。
SPLICEFMORE：后面的splice挪用会有更多的数据 。
splice挪用使用了Linux提出的管道缓冲区机制 ， 以是至少一个形貌符要为管道 。
以上几种零拷贝手艺都是镌汰数据在用户空间和内核空间拷贝手艺实现的 ，可是有些时间 ，数据必需在用户空间和内核空间之间拷贝 。这时间 ，我们只能针对数据在用户空间和内核空间拷贝的时机上下功夫了 。Linux通常使用写时复制(copy on write)来镌汰系统开销 ，这个手艺又时常称作COW 。
由于篇幅缘故原由 ，本文不详细先容写时复制 。或许形貌下就是：若是多个程序同时会见统一块数据 ，那么每个程序都拥有指向这块数据的指针 ，在每个程序看来 ，自己都是自力拥有这块数据的 ，只有当程序需要对数据内容举行修改时 ，才会把数据内容拷贝到程序自己的应用空间里去 ，这时间 ，数据才成为该程序的私有数据 。若是程序不需要对数据举行修改 ，那么永远都不需要拷贝数据到自己的应用空间里 。这样就镌汰了数据的拷贝 。写时复制的内容可以再写一篇文章了 。 。 。
除此之外 ，尚有一些零拷贝手艺 ，好比古板的Linux I/O中加上O_DIRECT标记可以直接I/O ，阻止了自动缓存 ，尚有尚未成熟的fbufs手艺 ，本文尚未笼罩所有零拷贝手艺 ，只是先容常见的一些 ，若有兴趣 ，可以自行研究 ，一样平常成熟的效劳端项目也会自己刷新内核中有关I/O的部分 ，提高自己的数据传输速率 。
以上就是浅析 Linux 中的零拷贝手艺的详细内容 ，更多请关注本网内其它相关文章！
