Zero-Copy

Linux Zero-Copy

什么是零拷贝 ?

Zero Copy 是一种避免 CPU 将数据从一块存储拷贝到另一块存储的技术。 Zero Copy 可以减少数据拷贝和共享总线操作的次数，消除传输数据再存储器之间不必要的拷贝次数，从而有效地提高数据传输地效率。

Linux IO Copy

  • read() && write()

当我们在访问一个网页的时候，在 Web Server (Linux) 会调用一下两个 文件读写函数：

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read(fd, buffer, len);
write(sockfd, buffer, len);

过程分析：

  1. 调用 read()，将具体的磁盘文件数据读取到 内核（kernel）的文件系统缓冲区中

  2. 接着是将 内核缓存区的数据 拷贝到 用户的缓冲区中

  3. 调用 write()，将用户缓冲区的数据写入到 内核 socket 的发送缓存区中

  4. 在 write() 返回后，内核会将 socket 发送区的数据拷贝到 网卡驱动中

性能分析：

这个过程中，一共发生了四次 I/O copy， 这期间数据按照 kernel -> user -> kernel -> hard drive 的路线，在 内核 到 用户 白白消耗了一圈的 性能开销，同时除了考虑 I/O 的性能开销，还要考虑系统 context switch 带来的开销，当系统调用 read() 时，系统会从 用户态 切换到 内核态，当 read() 返回时，又需要将 内核态 切换到 用户态，同理，write() 也会导致两次的 context switch，也就是说 read() 和 write() 总共会导致 4次的 I/O copy 和 4次上下文切换。

  • sendfile()

    而采用 sendfile（）可减少在 read() & write() 所产生的多次 I/O 拷贝和 context switch

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sendfile(sockfd, fd, NULL, len);

过程分析：

  1. 将磁盘中的文件数据拷贝到 内核中的文件缓冲区

  2. 向 socket buffer 中 追加 当前的数据在 kernel buffer 中的位置和偏移量

  3. 根据 socket buffer 中的位置和偏移量，将 kernel buffer 中的数据 copy 到 网卡驱动中

性能分析：

这次过程中，sendfile() 相比于 read() & write() ，对于将要发送的数据 (socket) ，采用的是记录下对应的 数据在 kernel buffer 中的 位置和偏移量，在最后要发送 socket buffer的数据到网卡设备时，只需通过 位置及偏移量 找到对应 kernel buffer的数据。相比于 read / write， 少了两次 I/O copy，和两次 context switch，性能有了很大的提升。

总结

为什么说是 zero-copy 呢？ 因为在 sendfile() 调用的过程中，对于内核 kernel ，整个过程中是零拷贝的，不涉及 内核到用户之间的数据拷贝。

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