一文讀懂零拷貝技術

零拷貝技術 是編寫高性能服務器的一個關鍵技術，在介紹 零拷貝技術 前先說明一下 用戶空間 與 內核空間。

用戶空間

通俗的說，用戶空間 就是運行着用戶編寫的應用程序的虛擬內存空間。在 32 位的操作系統中，每個進程都有 4GB 獨立的虛擬內存空間，而 0 ~ 3GB 的虛擬內存空間就是用戶空間 。

內核空間

內核空間 就是運行着操作系統代碼的虛擬內存空間，而 3GB ~ 4GB 的虛擬內存空間就是內核空間。

圖 1 展示了 用戶空間 與 內核空間 在進程虛擬內存空間所在的位置：

發送文件

爲什麼要介紹 用戶空間 和 內核空間 呢？

我們先來回憶一下，服務端發送一個文件給客戶端一般需要進行什麼操作。一般來說，服務端發送一個文件給客戶端的步驟如下：

while ((n = read(file, buf, 4069)) > 0) {
    write(sock, buf , n);
}

在上面的過程中，調用了 read 和 write 兩個系統調用。read 系統調用是從文件中讀取數據到用戶空間的緩衝區中，所以調用 read 時需要從內核空間複製數據到用戶空間，如圖 2 所示：

圖 2 就是數據的複製過程，首先會從文件中讀取數據到內核的 頁緩存（page cache），然後再從頁緩存中複製到用戶空間的緩衝區中。

而當調用 write 系統調用把用戶空間緩衝區中的數據發送到客戶端 Socket 時，首先會把緩衝區的數據複製到內核的 Socket 緩衝區中，網卡驅動會把 Socket 緩衝區的數據發送出去，如圖 3 所示：

從上圖可以看出，服務端發送文件給客戶端的過程中需要進行兩次數據複製，第一次是從內核空間的頁緩存複製到用戶空間的緩衝區，第二次是從用戶空間的緩衝區複製到內核空間的 Socket 緩衝區。

仔細觀察我們可以發現，上圖中的頁緩存其實可以直接複製到 Socket 緩衝區，而不需要複製到用戶空間緩衝區的。如圖 4 所示：

如上圖所示，不需要用戶空間作爲數據中轉的技術叫 零拷貝技術。那麼，我們可以通過哪個系統調用來實現上圖中的技術呢？答案就是 sendfile，我們來看看 sendfile 系統調用的原型：

#include <sys/sendfile.h>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

下面介紹一下 sendfile 各個參數的作用：

sendfile 發送數據的過程如圖 5 所示：

對比圖 5 與 圖 3，我們發現使用 sendfile 可以減少一次系統調用，並且減少一次數據拷貝過程。

總結

本文主要通過 sendfile 系統調用來介紹 零拷貝技術，但 零拷貝技術 不單隻有 sendfile，如 mmap、splice 和 直接I/O 等都是 零拷貝技術 的實現，有興趣的可以參考 Linux 官方文檔或相關資料。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/MKb80nS8JvrDO2287JBnQg

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