深入理解零拷贝技术实现原理（从表象到Linux内核文件管理机制的底层实现）

（一）先了解一下什么是零拷贝，以及零拷贝的优点？

（1 ）零拷贝其实就是从用户端发起一次需要用到磁盘文件的请求的时候，会通过网络IO进行后去你想要的文件，但是你要知道程序都是运行在Linux机器上的，而且这件事情也是又程序去做的，因为传统的IO需要拷贝四次，所以就有了网络IO的问题，那么瓶颈也就出了。为了优化这一操作，把IO四次拷贝通过优化到2 次拷贝，就称为“零拷贝”，传统的具体的传统流程是：
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1. 用户程序需要去请求服务器上磁盘的资源，然后Linux内核会去调用DMA去拷贝磁盘文件复制到Linux内核空间的page cache【这里后面会深入分析这个玩意】**中，这是第一次拷贝

2. 因为我们的程序是运行在Linux服务器上的，而且我们的服务也就是一个进程而已，但是如果程序需要刚刚我们从磁盘拷贝过来的那个资源文件，此时是不能直接访问的，也就是说程序不能直接访问Linux内核，大概是为了保护Linux内核系统的正常运行吧，所以需要从刚刚的page cache中拷贝到用户空间中的buffer cache缓存中，这是第二次拷贝

3. 因为用户客户端发出的请求，所以刚刚拷贝的文件一般都需要经过程序加工处理一些业务逻辑，然后需要把数据返回给客户端，那么此时数据是在用户空间的，但是发送的话，需要Linux内核调用然后才能发送，所以需要从用户空间拷贝到网络的Socket缓冲区，这是第三次拷贝

4. 最后一次就是Linux内核中的DMA去从Socket复制到网络中去发送返回给客户端结果，这是第四次拷贝。

（2）而零拷贝的流程是：

1. 直接省略调了 第二步，和第三步的流程，这样就大大提高了IO性能问题

补充一下DMA：

DMA 直接内存存取,是允许外设组件将I/O数据直接传送到主存储器中并且传输不需要CPU的参与，
以此将CPU解放出来去完成其他的事情。，相较于中断方式，减少cpu中断次数，不用cpu拷贝数据

（二）那么Linux是如何实现这种零拷贝的方式呢？

其实这里就用到了Linux 内核的文件 Cache 管理机制来进行实现的，在 Linux 的实现中，文件 Cache 分为两个层面，一是 Page Cache，另一个 Buffer Cache，每一个 Page Cache 包含若干 Buffer Cache。内存管理系统和 VFS 只与 Page Cache 交互，内存管理系统负责维护每项 Page Cache 的分配和回收，同时在使用 memory map 方式访问时负责建立映射；VFS 负责 Page Cache 与用户空间的数据交换。而具体文件系统则一般只与 Buffer Cache 交互，它们负责在外围存储设备和 Buffer Cache 之间交换数据

在Linux-2.4版本之前，其实page cache 和 buffer cache 是分开的，分别是两个独立的，所以在之后的版本中在文件读写时，以page为单位进行处理。而对下，在数据向device进行刷新时，就是page cache中以buffer_head(block)为单位进行处理。真正的把cache刷盘到磁盘上。

（1）将Cache项映射到用户空间，使得应用程序可以像使用内存指针一样访问文件，Memory map访问Cache的方式在内核中是采用请求页面机制实现的

• 当我们应用程序调用mmap（图中1），陷入到内核中后调用do_mmap_pgoff（图中2）该函数从应用程序的地址空间中分配一段区域作为映射的内存地址，并使用一个VMA（vm_area_struct）结构代表该区域，之后就返回到应用程序（图中3）
• 然后当应用程序访问mmap所返回的地址指针时（图中4），由于虚实映射尚未建立，会触发缺页中断（图中5）
• 之后系统会调用缺页中断处理函数（图中6），在缺页中断处理函数中，内核通过相应区域的VMA结构判断出该区域属于文件映射，于是调用具体文件系统的接口读入相应的Page Cache项（图中7、8、9），并填写相应的虚实映射表
• 经过这些步骤之后，应用程序就可以正常访问相应的内存区域了