面试官：linux 零拷贝的原理是什么？

1.前言

像大白这种调包侠，深知不懂底层技术点就如同空中楼阁，再这样下去面阿里 p10 是没希望了。

想到这里，我开始慌了，所以今天和大家一起学习个底层技术点-零拷贝 Zero-Copy。

Linux 系统中一切皆文件，仔细想一下 Linux 系统的很多活动无外乎读操作和写操作，零拷贝就是为了提高读写性能而出现的。

废话不多说，马上开大车，走起！

2. 数据拷贝基础过程

在 Linux 系统内部缓存和内存容量都是有限的，更多的数据都是存储在磁盘中。对于 Web 服务器来说，经常需要从磁盘中读取数据到内存，然后再通过网卡传输给用户：

上述数据流转只是大框，接下来看看几种模式。

2.1 仅 CPU 方式

• 当应用程序需要读取磁盘数据时，调用 read()从用户态陷入内核态，read()这个系统调用最终由 CPU 来完成；

• CPU 向磁盘发起 I/O 请求，磁盘收到之后开始准备数据；

• 磁盘将数据放到磁盘缓冲区之后，向 CPU 发起 I/O 中断，报告 CPU 数据已经 Ready 了；

• CPU 收到磁盘控制器的 I/O 中断之后，开始拷贝数据，完成之后 read()返回，再从内核态切换到用户态；

2.2 CPU&DMA 方式

CPU 的时间宝贵，让它做杂活就是浪费资源。

直接内存访问（Direct Memory Access），是一种硬件设备绕开 CPU 独立直接访问内存的机制。所以 DMA 在一定程度上解放了 CPU，把之前 CPU 的杂活让硬件直接自己做了，提高了 CPU 效率。

目前支持 DMA 的硬件包括：网卡、声卡、显卡、磁盘控制器等。

有了 DMA 的参与之后的流程发生了一些变化：

最主要的变化是，CPU 不再和磁盘直接交互，而是 DMA 和磁盘交互并且将数据从磁盘缓冲区拷贝到内核缓冲区，之后的过程类似。

“【敲黑板】无论从仅 CPU 方式和 DMA&CPU 方式，都存在多次冗余数据拷贝和内核态 &用户态的切换。”

我们继续思考 Web 服务器读取本地磁盘文件数据再通过网络传输给用户的详细过程。

3.普通模式数据交互

一次完成的数据交互包括几个部分：系统调用 syscall、CPU、DMA、网卡、磁盘等。

系统调用 syscall 是应用程序和内核交互的桥梁，每次进行调用/返回就会产生两次切换：

• 调用 syscall 从用户态切换到内核态

• syscall 返回 从内核态切换到用户态

来看下完整的数据拷贝过程简图：

读数据过程：

• 应用程序要读取磁盘数据，调用 read()函数从而实现用户态切换内核态，这是第 1 次状态切换；

• DMA 控制器将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区，这是第 1 次 DMA 拷贝；

• CPU 将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区，这是第 1 次 CPU 拷贝；

• CPU 完成拷贝之后，read()函数返回实现用户态切换用户态，这是第 2 次状态切换；

写数据过程：

• 应用程序要向网卡写数据，调用 write()函数实现用户态切换内核态，这是第 1 次切换；

• CPU 将用户缓冲区数据拷贝到内核缓冲区，这是第 1 次 CPU 拷贝；

• DMA 控制器将数据从内核缓冲区复制到 socket 缓冲区，这是第 1 次 DMA 拷贝；

• 完成拷贝之后，write()函数返回实现内核态切换用户态，这是第 2 次切换；

综上所述：

• 读过程涉及 2 次空间切换、1 次 DMA 拷贝、1 次 CPU 拷贝；

• 写过程涉及 2 次空间切换、1 次 DMA 拷贝、1 次 CPU 拷贝；

可见传统模式下，涉及多次空间切换和数据冗余拷贝，效率并不高，接下来就该零拷贝技术出场了。

4. 零拷贝技术

4.1 出现原因

我们可以看到，如果应用程序不对数据做修改，从内核缓冲区到用户缓冲区，再从用户缓冲区到内核缓冲区。两次数据拷贝都需要 CPU 的参与，并且涉及用户态与内核态的多次切换，加重了 CPU 负担。

我们需要降低冗余数据拷贝、解放 CPU，这也就是零拷贝 Zero-Copy 技术。

4.2 解决思路

目前来看，零拷贝技术的几个实现手段包括：mmap+write、sendfile、sendfile+DMA 收集、splice 等。

4.2.1 mmap 方式

mmap 是 Linux 提供的一种内存映射文件的机制，它实现了将内核中读缓冲区地址与用户空间缓冲区地址进行映射，从而实现内核缓冲区与用户缓冲区的共享。

这样就减少了一次用户态和内核态的 CPU 拷贝，但是在内核空间内仍然有一次 CPU 拷贝。

mmap 对大文件传输有一定优势，但是小文件可能出现碎片，并且在多个进程同时操作文件时可能产生引发 coredump 的 signal。

4.2.2 sendfile 方式

mmap+write 方式有一定改进，但是由系统调用引起的状态切换并没有减少。

sendfile 系统调用是在 Linux 内核 2.1 版本中被引入，它建立了两个文件之间的传输通道。

sendfile 方式只使用一个函数就可以完成之前的 read+write 和 mmap+write 的功能，这样就少了 2 次状态切换，由于数据不经过用户缓冲区，因此该数据无法被修改。

从图中可以看到，应用程序只需要调用 sendfile 函数即可完成，只有 2 次状态切换、1 次 CPU 拷贝、2 次 DMA 拷贝。

但是 sendfile 在内核缓冲区和 socket 缓冲区仍然存在一次 CPU 拷贝，或许这个还可以优化。

4.2.3 sendfile+DMA 收集

Linux 2.4 内核对 sendfile 系统调用进行优化，但是需要硬件 DMA 控制器的配合。

升级后的 sendfile 将内核空间缓冲区中对应的数据描述信息（文件描述符、地址偏移量等信息）记录到 socket 缓冲区中。

DMA 控制器根据 socket 缓冲区中的地址和偏移量将数据从内核缓冲区拷贝到网卡中，从而省去了内核空间中仅剩 1 次 CPU 拷贝。

这种方式有 2 次状态切换、0 次 CPU 拷贝、2 次 DMA 拷贝，但是仍然无法对数据进行修改，并且需要硬件层面 DMA 的支持，并且 sendfile 只能将文件数据拷贝到 socket 描述符上，有一定的局限性。

4.2.4 splice 方式

splice 系统调用是 Linux 在 2.6 版本引入的，其不需要硬件支持，并且不再限定于 socket 上，实现两个普通文件之间的数据零拷贝。

splice 系统调用可以在内核缓冲区和 socket 缓冲区之间建立管道来传输数据，避免了两者之间的 CPU 拷贝操作。

splice 也有一些局限，它的两个文件描述符参数中有一个必须是管道设备。

5.本文小结

本文通过介绍数据交互的基本过程、传统模式的缺点，进而介绍了零拷贝的一些实现方法。

零拷贝技术是非常底层且重要的读写优化，对于服务并发能力的提升有很大帮助，就这么多吧，下期再见！

最后

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