回答

零拷贝是一种 I/O 操作优化技术，旨在减少上下文切换和 CPU 的拷贝时间。在传统的数据传输过程中，数据从一个存储区域复制（传输）到另一个存储区域需要经历 4 次上下文切换和 2 次 CPU 拷贝，这大大降低了数据传输的效率。而零拷贝通过减少一些不必要的步骤来优化这一过程。目前 Linux 中有如下几种技术来实现：

1. mmap：mmap 允许应用程序通过创建一个文件或设备在内存中的映射，直接访问硬件内存。这样，应用程序可以直接读写这块内存区域，而无需执行系统调用或进行数据拷贝。数据可以从存储设备直接映射到用户空间内存，减少了从内核空间到用户空间的拷贝操作。
2. sendfile：sendfile 可以直接在内核中将数据从文件系统缓冲区传输到套接字缓冲区，避免了数据在用户空间和内核空间之间的多次拷贝。
3. sendfile + SG-DMA：真正实现了零拷贝的技术。需要网卡支持 SG-DMA技术，这样就可以不需要将内核缓冲区的数据拷贝到套接字缓冲区，由DMA 将数据直接从内核缓冲区拷贝到网卡中，一次 CPU 拷贝都不需要。

详解

数据拷贝基础

各位小伙伴应该都写过读写文件的应用程序吧？我们一般都是从磁盘读取文件，然后加工数据，最后写入数据库或发送给其他子系统。

那当中具体的流程是怎么样的？

1. 应用程序发起 read()调用，由用户态进入内核态。
2. CPU 向磁盘发起 I/O 读取请求。
3. 磁盘将数据写入到磁盘缓冲区后，向 CPU 发起 I/O 中断，报告 CPU 数据已经准备好了。
4. CPU 将数据从磁盘缓冲区拷贝至内核缓冲区，然后从内核缓冲区将数据拷贝至用户缓冲区
5. 完成后，read() 返回，由内核态切换到用户态。

如下：

这个过程有一个比较严重的问题就是 CPU 全程参与数据拷贝的过程，而且整个过程 CPU 都不能干其他活，这不是浪费资源，耽误事吗！

怎么解决？引入 DMA 技术，即直接存储器访问（Direct Memory Access），那什么是 DMA 呢？

DMA传输：将数据从一个地址空间复制到另一个地址空间，提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。

我们都知道 CPU 是很稀缺的资源，需要力保它时刻都在处理重要的事情，一些不重要的事情（比如数据复制和存储）就不需要 CPU 参与了，让他去处理更加重要的事情，这样是不是就可以更好地利用 CPU 资源呢？

所以，对于我们读取文件（尤其是大文件）这种不那么重要且繁琐的事情是可以不需要 CPU 参与了，我们只需要在两个设备之间建立一种通道，直接由设备 A 通过 DMA 拷贝数据到设备 B，如下图：

加入 DMA 后，数据传输过程就变成下图：

CPU 接收 read() 请求，将 I/O 请求发送给 DMA，这个时候 CPU 就可以去干其他的事情了，等到 DMA 读取足够数据后再向 CPU 发送 IO 中断，CPU 将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，这个数据传输过程，CPU 不再与磁盘打交道了，不再参与数据搬运过程了，由 DMA 来处理。

但是，这样就完了吗？仔细再研究上面的图，就算我们加入了 DMA，整个过程也依然进行了两次内核态&用户态的切换，一次数据拷贝的过程，这还只是读取过程，如果再加上写入呢？性能将会进一步降低。

为什么需要零拷贝

为什么需要零拷贝？因为如果不用它就会慢，性能堪忧啊。体现在哪里呢？我们来看看一次完整的读写数据交互过程有多复杂。下面是应用程序完成一次读写操作的过程图：

• 读数据过程如下：

• 写数据过程

整个过程进行了 4 次切换，2 次 CPU 拷贝，2 次 DMA 拷贝，效率并不是很高，那怎么提高性能呢？

• 减少用户态和内核态的切换
• 减少拷贝过程

所以零拷贝就出现了。

Linux 的零拷贝

目前实现零拷贝的技术有三种，分别为：

• mmap+write
• sendfile
• sendfile + SG-DMA

下面大明哥依次介绍这些。

mmap+write

mmap 是一种内存映射文件的机制，它实现了将内核中读缓冲区地址与用户空间缓冲区地址进行映射，从而实现内核缓冲区与用户缓冲区的共享。mmap 可以替代 read()，从而减少一次 CPU 拷贝（内核缓冲区 → 应用程序缓冲区）

过程如下：

• 写数据过程

mmap 替代了 read()，只减少了一次 CPU 拷贝，依然存在 4 次用户状态&内核状态的上下文切换和 3 次拷贝，整体来说还不是这么理想。

sendfile

sendfile 是 Linux2.1 内核版本后引入的一个系统调用函数，专门用来发送文件的函数，它建立了文件的传输通道，数据直接从设备 A 传输到设备 B，不需要经过用户缓冲区。

使用 sendfile 就直接替换了上面的 read() 和 write() 两个函数，这样就只需要需要进行两次切换。如下：

这个技术比传统的减少了 2 次用户态&内核态的上下文切换和一次 CPU 拷贝。

但是，它有一个缺陷就是因为数据不经过用户缓冲区，所以无法修改数据，只能进行文件传输。

sendfile + SG-DMA

Linux 2.4 内核版本对sendfile做了进一步优化，如果网卡支持 SG-DMA（The Scatter-Gather Direct Memory Access）技术，我们可以不需要将内核缓冲区的数据拷贝到套接字缓冲区。

它将内核缓冲区的数据描述信息（文件描述符、偏移量等信息）记录到套接字缓冲区，由 DMA 根据这些数据从内核缓冲区拷贝到网卡中，从而再一次减少 CPU 拷贝。

过程如下：

这个过程已经没有了 CPU 拷贝了，也只有 2 次上下文件切换，这就是真正的零拷贝技术，全程无 CPU 参与，所有数据的拷贝都依靠 DMA 来完成。

最后

最后做一个总结：

零拷贝比传统的 read() + write() 方式减少了 2 次上下文切换和 2 次 CPU 拷贝，性能至少提升了 1 倍。

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