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什么是零拷贝?

零拷贝

什么是零拷贝

零拷贝指的是,从一个存储区域到另一个存储区域的copy任务无需CPU参与就可完成。零拷贝的底层是
通过DMA总线技术实现的。零拷贝与具体的编程语言无关,完全依赖于OS,OS支持就可使用,不支持
设置了也不起作用。
DMA(Direct Memory Access,直接内存访问)是一种计算机系统内部的数据传输技术,需要DMA总
线(硬件的体系结构)的硬件支持。其整个数据传输过程是在DMA控制器下完成的。
零拷贝在计算机内部数据拷贝及网络传输中都大量使用,用于减少CPU消耗和内存带宽占用,减少用户
空间与内核空间的拷贝过程,减少用户态与内核态间的切换次数,提高系统效率,提升系统性能。例如
远程服务器处理客户端浏览器的主页打开请求过程,就是一个零拷贝在网络传输中的典型应用。下面全
部以该场景为例进行分析。

传统拷贝方式

站在服务器角度,服务器操作系统经历了以下过程
在这里插入图片描述
该拷贝方式共进行了16次用户空间与内核空间的上下文切换,以及4次数据拷贝,其中两次拷贝存在
CPU参与。

零拷贝方式

在这里插入图片描述
该拷贝方式共进行了14次用户空间与内核空间的上下文切换,以及3次数据拷贝,但整个拷贝过程均没
有CPU的参与,这就是零拷贝。

Gather Copy零拷贝

该拷贝方式是由DMA完成,当然,需要当前主机的DMA支持Gather Copy方式。
在这里插入图片描述
该方式中没有数据拷贝到socket buffer。取而代之的是只是将kernel buffer中的数据描述信息写到了socket buffer中。数据描述信息包含了两方面的信息:kernel buffer中数据的地址及偏移量。该拷贝方式共进行了14次用户空间与内核空间的上下文切换,以及2次数据拷贝,并且整个拷贝过程均没有CPU的参与。

mmap零拷贝

mmap,Memory Map,存储映射。mmap零拷贝是对零拷贝的改进。当然,若当前主机的DMA支持
Gather Copy,mmap同样可以实现Gather Copy DMA的零拷贝。
在这里插入图片描述
该方式与普通零拷贝的唯一区别是,应用程序与内核共享了Kernel buffer。由于是共享,所以应用程序
也就可以操作该buffer了。当然,应用程序对于Kernel buffer的操作,就会引发用户空间与内核空间的
相互切换。

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