零拷贝实现原理

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内容拷贝过程

场景：从一个文件中读出并将数据传到另一台服务器实现伪代码如下：

File.read(file, buf, len);
Socket.send(socket, buf, len);
// 此过程涉及4次拷贝

注意： 在应用拷贝时会涉及到用户态切换到内核态

1. 应用程序调用read()方法，此处会设计到上下文切换（用户态->内核态），底层采用DMA（direct memory access）读取磁盘的文件，然后将内容存储到内核地址空间的读取缓冲区

2. 应用程序无法读取内核地址空间的数据，这时read()调用返回，将内容从读取缓冲区拷贝到用户缓冲区，上下文切换（内核态 ->用户态），此时应用程序可以修改这些内容

3. 通过Socket传到另一个服务中，调用Socket的send() 方法传到另一个服务中，然后再次将内容拷贝到内核地址空间缓冲区，此时又是一次上下文切换与目标套接字直接相连，与读取缓冲区无关

4. send()调用返回，第四次数据拷贝，通过DMA（direct memory access）把数据从目标套接字相关的缓存区传到协议引擎进行发送

NIO优化

 在整个过程中，过程1和4是由DMA负责（类似通道Channel），并不会消耗CPU，只有过程2和3的拷贝需要CPU参与，可以直接把内核态读取缓冲区直接拷贝到套接字相关的缓冲区，优化如下图实现方式：FileChannel的tansferTo()方法可是实现，将数据从文件通道传输到给定的可写字节的通道，替换file.read() 方法和 socket.send()方法

//获取缓冲区
Buffer buffer=ByteBuffer.allocateDirect(1024);
//获取文件通道
FileChannel fileChannel = 
FileChannel.open(Paths.get(System.getProperty("user.dir")  "/assets/file.txt"), StandardOpenOption.READ);
//获取socket通道
SocketChannel socketChannel=SocketChannel.open();
//将文件通道转到socket通道
fileChannel.transferTo(buffer.position(),buffer.limit(),socketChannel);

经过上述优化后后

• 上下文切换的次数从四次减少到了两次
• 数据拷贝次数从四次减少到了三次（其中DMA copy 2次，CPU copy 1次）

零拷贝的实现

Linux内核2.4及后期版本中，针对套接字缓冲区描述符做了调整，DMA自带了收集功能，内部操作发生了改变，用户使用不变，内部操作如下图：

遗留问题：

1. 套接字缓冲区实现机制原理
2. 文件描述符的实现原理

参考资料：https://www.jianshu.com/p/2581342317ce

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