一文讀懂零拷貝技術｜splice 使用

服務端要向客戶端連接發送一個文件，一般過程如下：

上面過程如下圖所示：

從上圖可以看出，在發送文件的過程中，首先需要將文件頁緩存（Page Cache）從內核態複製到用戶態緩存中，然後再從用戶態緩存複製到客戶端的 Socket 緩衝區中。

其實在上面的過程中，複製文件數據到用戶態緩存這個操作是多餘的，我們完全可以直接把文件頁緩存的數據複製到 Socket 緩衝區即可，這樣就可以減少一次拷貝數據的操作。

爲了實現這樣的功能，內核提供了一個名爲 splice() 的系統調用，使用 splice() 系統調用可以避免從內核態拷貝數據到用戶態。

不需要將內核態的數據拷貝到用戶態緩存的技術被稱爲：零拷貝技術。

下面我們將介紹 splice() 系統調用的原理和實現。

splice 使用實例

如果服務端要發送文件給客戶端，使用 read()/write() 方式來實現的話，代碼如下所示：

/**
 * 發送文件給客戶端（read/write版本）
 */
int send_file_to_client(int client_fd, char *file)
{
    int fd;
    struct stat fstat;
    int blocks, remain;
    char buf[4096]; // 每次發送4096個字節

    fd = open(file, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        return -1;
    }

    stat(file, &fstat);               // 用於獲取文件的大小
    blocks = fstat.st_size / 4096;    // 需要發送的次數
    remain = fstat.st_size % 4096;    // 如果文件的大小不是4096的倍數，要額外發送這些數據

    for (i = 0; i < blocks; i++) {
        read(fd, buf, 4096);          // 讀取文件內容
        write(client_fd, buf, 4096);  // 發送文件內容給客戶端
    }

    if (remain > 0) {
        read(fd, buf, remain);
        write(client_fd, buf, remain);
    }

    return 0;
}

上面代碼的流程比較簡單，如下：

從上面的代碼可以看出，使用 read()/write() 方式發送文件給客戶端，首先需要將文件內容讀到用戶態緩存中，然後才能發送給客戶端連接。

然而，將文件內容讀取到用戶態緩存這個過程是多餘的，我們看看怎麼使用 splice() 系統調用來避免將文件內容拷貝到用戶態緩存。

使用 splice() 發送文件時，需要創建一個管道作爲中轉，代碼如下：

/**
 * 發送文件給客戶端（splice版本）
 */
int send_file_to_client(int client_fd, char *file)
{
    int fd;
    struct stat fstat;
    int blocks, remain;
    int pipefd[2];

    fd = open(file, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        return -1;
    }

    stat(file, &fstat);

    blocks = fstat.st_size / 4096;
    remain = fstat.st_size % 4096;

    pipe(pipefd);  // 創建管道作爲中轉

    for (i = 0; i < blocks; i++) {
        // 1. 將文件內容讀取到管道
        splice(fd, NULL, pipefd[1], NULL, 4096, SPLICE_F_MOVE|SPLICE_F_MORE);
        // 2. 將管道的數據發送給客戶端連接
        splice(pipefd[0], NULL, client_fd, NULL, 4096, SPLICE_F_MOVE|SPLICE_F_MORE);
    }

    if (remain > 0) {
        splice(fd, NULL, pipefd[1], NULL, remain, SPLICE_F_MOVE|SPLICE_F_MORE);
        splice(pipefd[0], NULL, client_fd, NULL, remain, SPLICE_F_MOVE|SPLICE_F_MORE);
    }

    return 0;
}

從上面代碼可以看出，使用 splice() 發送文件時，我們並不需要將文件內容讀取到用戶態緩存中，但需要使用管道作爲中轉（關於 管道 的原理可以參考這篇文章：《圖解 | Linux 進程通信 - 管道實現》）。

其實這裏的管道只是作爲一個通道，並不會產生數據拷貝的，如下圖所示：

對比 read()/write() 版本的原理圖，可以看出 splice() 版本省去了拷貝文件內容到用戶態緩存這個步驟。

總結

本文主要介紹了使用 read()/write() 方式傳輸文件與使用 splice() 方式傳輸文件的原理，也提供了這兩種方式的實例代碼。

當然，從原理上看，使用 splice() 方式傳輸文件會比 read()/write() 方式性能要高。但如果真實測試這兩種方式，會發現性能相差並不大。這是由於 splice() 方式雖然減少了數據拷貝過程，但是其處理邏輯比 read()/write() 方式更爲複雜，所以性能提升並不理想，有興趣的讀者可以自己測試一下。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/4SFoh_Wmuvq83qVXHCLt4w

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