零拷贝是什么？

1. 无DMA控制器传输方式：

• CPU发送指令给磁盘控制器，磁盘控制器收到指令后准备数据，将数据放入磁盘控制器的内部缓冲区，产生中断。CPU收到中断信号，停下手头工作，将磁盘控制器内部缓冲区的数据读入寄存器，再从寄存器读入内存。
• 这种方式，CPU全程参与数据搬运，且在这期间无法做其他事情。

2. DMA技术：

• Direct Memory Access：直接内存访问。
• I/O设备和内存的数据传输由DMA控制器完成。

3. 有DMA控制器传输方式：

• 用户进程调用read（）方法向操作系统发起I/O请求，请求读取数据到用户态的内存缓冲区。
• 操作系统调用磁盘控制器，磁盘控制器开始处理I/O请求，然后CPU接着执行其他任务。（这一步小林coding上写错了，I/O 请求不是交给 DMA控制器再由DMA控制器交给磁盘控制器，而是直接交给磁盘控制器。）
• 磁盘控制器将数据读入其内部缓冲区，读完或读满向DMA控制器发起中断；
• DMA控制器将磁盘内部缓冲区的数据拷贝到内核缓冲区，然后向CPU发起中断；
• CPU将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，read()返回数据给用户进程。

4. 服务端提供文件传输功能

1）那么传统文件传输方式是什么？

• 服务端作为操作系统的用户，传输文件有两次系统调用，每次都要上下文切换。
• 调用read()从缓存读取数据的时候需从用户态切换到内核态，读完再切换回来。调用write()写入socket缓冲区的时候，也要先从用户态切换到内核态，写完再切换回来。
• 这里涉及到2次CPU拷贝和4次上下文切换。
  

2）如何优化文件传输性能?

• 减少上下文切换次数；
• 减少CPU拷贝次数（不将数据拷贝到用户缓冲区）。

3）如何实现零拷贝（避免 CPU 进行不必要的数据拷贝）？

mmap()+write()

• 用mmap()取代read()，将内核缓存区的数据映射到用户空间，应用进程跟操作系统内核共享内核缓冲区，这里就避免了read()的CPU拷贝。但是发送数据时应用进程调用write()，还是需要CPU将数据从内核缓冲区拷贝到socket缓冲区。并且依然是4次上下文切换。
  在这里插入图片描述

sendfile()

• sendfile()取代read()+write()，只需2次上下文切换，CPU直接将数据从内核缓冲区拷贝到socket缓冲区。
  

SG-DMA

• 如果网卡支持SG-DMA技术，那么首先DMA将数据读入内核缓冲区，并将描述符和数据长度传到socket缓冲区，这样SG-DMA可以直接将数据从内核缓冲区拷贝到网卡缓冲区。这才是真正的零拷贝，CPU不参与数据搬运。
  

4）零拷贝项目

• kafka
• nginx

5.PageCache的作用

• 缓存最近被访问的数据；
• 预读；

6.发送大文件(GB级别)用什么方式传输？

• 异步I/O+直接I/O
• 大文件传输不能使用PageCache原因：
  • 占满导致其他热点小数据不能被缓存；
  • 浪费一次DMA拷贝；

7.直接I/O

• 经过缓存的I/O叫缓存I/O，不经过缓存的I/O叫直接I/O；
• 直接I/O使用场景：
  • 1.应用程序已实现磁盘数据的缓存；
  • 2.大文件传输；
• 直接I/O无法享受PageCache的两大优点：（这些都是为了减少磁盘操作次数）
  • 合并I/O请求：内核I/O调度算法会缓存尽可能多的I/O请求，最后合并为一个更大的I/O请求；
  • 预读；

8.参考

http://xiaolincoding.com/os/8_network_system/zero_copy.html