详细讲解零拷贝机制的进化过程

一、传统拷贝方式

（一）操作系统经过4次拷贝

• CPU 负责将数据从磁盘搬运到内核空间的 Page Cache 中；

• CPU 负责将数据从内核空间的 Page Cache 搬运到用户空间的缓冲区；

• CPU 负责将数据从用户空间的缓冲区搬运到内核空间的 Socket 缓冲区中；

• CPU 负责将数据从内核空间的 Socket 缓冲区搬运到的网络中；

（二）4 次上下文切换

1. read 系统调用时：用户态切换到内核态；

2. read 系统调用完毕：内核态切换回用户态；

3. write 系统调用时：用户态切换到内核态；

4. write 系统调用完毕：内核态切换回用户态；

二、DMA参与下的数据拷贝

DMA参与后只是在”拷贝1“的位置，暂时交给DMA来控制，可以暂时释放CPU去做别的事情。

三、mmap+write方式实现的零拷贝

（一）上下文状态切换：

1.用户进程通过mmap方法，向操作系统内核发起IO调用，用户态切换内核态；

2.内核态切换回用户态，mmap方法返回；

3.用户进程通过write方法向操作系统内核发起IO调用，上下文从用户态切换为内核态；

4.数据从socket缓冲区拷贝到网卡结束后，上下文从内核态切换回用户态，write调用返回。

（二）数据拷贝

1. CPU利用DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区；

2.CPU将内核缓冲区的数据拷贝到socket缓冲区

3.CPU利用DMA控制器，把数据从socket缓冲区拷贝到网卡

mmap+write方式的实现的零拷贝，IO发生了4次用户空间和内核空间的上下文切换，这个并没有节省，但是数据拷贝减少了一次。

其中2次DMA拷贝和1次CPU拷贝。

（mmap是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射，内核缓冲区和应用缓冲区共享，所以节省了一次CPU拷贝，并且用户京城内存是虚拟的在，只是映射到内核读缓冲区，可以节省一半的内存空间。）

四、sendfile实现的零拷贝

sendfile是Linux2.1内核版本后引入的一个系统调用函数，

API如下：

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

out_fd为待写入内容的文件描述符，一个socket描述符；
in_fd为待读出内容的文件描述符，必须是真实的文件，不能是socket和管道；
offset：制定从读入文件的哪个位置开始读，如果为NULL，表示文件的默认起始位置；
count 制定在fdout 和 fdin之间传输的字节数。

sendfile表示两个文件描述符之间传输数据，它是在操作系统内核中操作的，避免了数据从内核缓冲区和用户缓冲区之间的拷贝操作，因此可使用他来实现零拷贝。

（一）上下文状态切换+数据拷贝

1.用户进程发起sendfile系统调用，上下文从用户态转向内核态

2.DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区；

3.CPU将读缓冲区中的数据拷贝到socket缓冲区；

4.DMA控制器，异步将数据从socket缓冲区拷贝到网卡；

5.上下文从内核态切换回用户态，sendfile返回。

sendfile实现的零拷贝，IO发生了两次用户空间与内核空间的上下文切换，以及3次数据拷贝，其中3次数据拷贝中，包括了2次DMA拷贝和1次CPU拷贝。那能不能把CPU的拷贝次数减少到0次呢？有的，即带有DMA手机拷贝功能的sendfile

五、sendfile+DMA scatter/gather实现的零拷贝

Linux2.4之后，对sendfile做了优化升级，引入SG-DMA技术，其实就是对DMA拷贝加入了scatter/gather操作，它可以直接从内核空间缓冲区中将数据读取到网卡。使用这个特点做零拷贝，还可以少一次CPU拷贝。

（一）上下文状态切换+数据拷贝

1.用户进程发起sendfile系统调用，上下文从用户态切换为内核态；

2.DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区；

3.CPU把内核换乘功能区重点 文件描述信息（内核缓冲区的内存地址和偏移量）发送到socket缓冲区

4.DMA控制器根据文件描述信息，直接把数据从内核缓冲区拷贝到网卡

5.上下文从内核态奇幻回用户态，sendfile调用返回。

可以发现，sendfile+DMA scatter/gather实现的零拷贝，IO发生了2次用户空间与内核空间的上下文切换，以及2次数据拷贝。其中2次数据拷贝都是DMA拷贝，这就是真正的零拷贝技术，全程都没有通过CPU来搬运数据，所有的数据都是通过DMA来传输的。

参考：https://heapdump.cn/article/3290793