操作系统零拷贝详解

• 概念

在没有cpu干预的情况下，执行的一个存储区向另外一个存储区拷贝任务；可以减少总线周期和内存带宽；

• 普通I/O实现（4次用户态到内核态切换+4次拷贝）
  • 应用程序调用系统调用read，进行第一次用户态到内核态上线文切换；
  • 将磁盘文件加载到kernel buffer，进行第一次拷贝；
  • 将kernel buffer的数据拷贝到用户态的user buffer中，进行第二次拷贝；
  • read系统调用返回，进行第二次用户态到内核态上线文切换；
  • 用户态应用程序调用write系统调用，进行第三次用户态到内核态的上下文切换；
  • 将用户态的user buffer的数据copy到kernel buffer，进行第三次拷贝；
  • write系统调用返回，进行第四次用户态到内核态上下文切换；
  • 内核将kernel buffer的数据刷新到磁盘，进行第四次拷贝；
• 几种零拷贝的实现
  • 普通sendfile实现；（2次用户态到内核态切换+3次拷贝）
    • 应用程序调用sendfile系统调用，进行第一次用户态到内核态上下文切换；
    • 通过DMA copy将磁盘文件copy到kernel buffer，进行第一次拷贝；
    • 将kernel buffer的数据拷贝到socket buffer，进行第二次拷贝；
    • sendfile系统调用返回，进行第二次用户态到内核态上下文切换；
    • 将socket buffer刷新到protocal engine，进行第三次拷贝；
  • 带有DMA gather的sendfile实现（2次用户态到内核态切换+2次拷贝）
    • 应用程序调用sendfile系统调用，进行第一次用户态到内核态上下文切换；
    • 通过DMA copy将磁盘文件copy到kernel buffer，进行第一次拷贝；
    • 将文件描述符信息拷贝到socket buffer；（kernel buffer的内存地址和偏移量）
    • sendfile系统调用返回，进行第二次用户态到内核态上下文切换；
    • DMA gather copy将根据socket buffer给出的文件描述符信息，将kernel buffer的数据拷贝到protocol engine，进行第二次拷贝；
  • mmap实现（4次用户态到内核态切换+3次拷贝）
    • 应用程序调用mmap系统调用，进行第一次用户态到内核态上下文切换；
    • 通过DMA copy将磁盘文件拷贝到kernel buffer；
    • mmap系统调用返回，进行第二次用户态到内核态上下文切换；
    • 应用程序通过write系统调用直接写共享内存，进行第三次内核态到用户态上下文切换；
    • 将kernel buffer中的数据copy到socket buffer，进行第二次拷贝；
    • write系统调用返回，进行第四次用户态到内核态上下文切换；
    • 将socket buffer的数据刷新到协议引擎，进行第三次拷贝；