【操作系统】零拷贝技术

1. DMA技术

DMA技术也就是直接内存访问技术。在进行I/O设备和内存的数据传输的时候，数据传输的工作全部交给DMA控制器，而不是CPU负责。

2. 传统的文件传输

传统的文件传输的代码如下：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

上述代码发生了4次用户态与内核态的上下文切换，4次数据拷贝。

具体过程：

• 第一次拷贝：DMA把磁盘数据拷贝到内核缓冲区。
• 第二次拷贝：CPU将磁盘数据拷贝到用户缓冲区。
• 第三次拷贝：CPU将用户缓冲区数据拷贝到socket缓冲区。
• 第四次拷贝：DMA将socket缓冲区数据拷贝到网卡。

3. 零拷贝

3.1 mmap+write

mmap拷贝代码如下：

buf = mmap(file, len);
write(sockfd, buf, len);

mmap会把内核缓冲区的数据映射到用户空间，这样，操作系统内核与用户空间就不需要再进行任何的数据拷贝。上述代码发生4次上下文切换与3次拷贝。

• 应用进程调用了mmap()，DMA会把磁盘的数据拷贝到内核的缓存区，然后应用进程和操作系统内核共享这个缓冲区。
• 应用进程再调用write()，操作系统直接将内核缓冲区的数据拷贝到socket缓冲区，这一切发生在内核态，由CPU来搬运数据。
• 最后由DMA将数据从内核的socket拷贝到网卡的缓冲区。

3.2 sendfile技术

sendfile代码如下：

ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

sendfile需要2次上下文切换，2次数据拷贝。

具体过程：

• 通过DMA将磁盘数据拷贝到内核缓冲区。
• 缓冲区描述符和数据长度传到socket缓冲区。SG-DMA将内核缓冲区拷贝到socket缓冲区，减少一次拷贝。