网络I/o编程模型8 IO的零拷贝技术

Posted 2022-05-19 健康平安的活着

一 传统IO模式

1.传统模式：

read：把数据从磁盘读取到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区

write：先把数据写入到 socket缓冲区，最后写入网卡设备

如下图所示：

2.流程：

1.用户空间的应用程序通过read()函数，向操作系统发起IO调用，上下文从用户态到切换到内核态，然后再通过 DMA 控制器将数据从磁盘文件中读取到内核缓冲区

2.接着CPU将内核空间缓冲区的数据拷贝到用户空间的数据缓冲区，然后read函数调用返回的结果，又会导致上下文从内核态切换到用户态。

3.用户空间的应用程序通过write()函数向操作系统发起IO调用，上下文再次从用户态切换到内核态；接着CPU将数据从用户缓冲区复制到内核空间的 socket 缓冲区（也是内核缓冲区，只不过是给socket使用），然后write函数被系统调用返回，再次触发上下文切换。

4.最后异步传输socket缓冲区的数据到网卡，也就是说write系统调用的返回并不保证数据被传输到网卡。

3.总结：

在传统的数据 IO 模式中，读取一个磁盘文件，并发送到远程端的服务，就共有四次用户空间与内核空间的上下文切换，四次数据复制，包括两次 CPU 数据复制，两次 DMA 数据复制。

4.缺点

两次 CPU 数据复制才是最消耗资源和时间的，这个过程还需要内核态和用户态之间的来回切换，而CPU资源十分宝贵，要拷贝大量的数据，还要处理大量的任务，如果能把 CPU 的这两次拷贝给去除掉，既能节省CPU资源，还可以避免内核态和用户态之间的切换。而零拷贝技术就是为了解决这个问题。

二 零拷贝技术

2.1 零拷贝技术

常规的io读写顺序：把数据从磁盘读取到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区，涉及到共有四次用户空间与内核空间的上下文切换，四次数据复制，包括两次 CPU 数据复制，两次 DMA 数据复制。

所谓的零拷贝是在内核空间中直接将磁盘文件复制到网卡中，而不需要经由用户态的应用程序之手。这样就能把 CPU 的这两次拷贝给去除掉，既能节省CPU资源，还可以避免内核态和用户态之间的上下文切换，提高数据传输效率。

2.2 mmap + write 实现的零拷贝

Java IO篇：什么是零拷贝？_张维鹏的博客-CSDN博客_零拷贝