零拷贝技术

背景

磁盘可以说是计算机系统重最慢的硬件之一，读写速度相对内存10以上，所以针对优化磁盘的技术非常的多，比如：零拷贝、直接I/O、异步I/O等等，这些优化的目的就是为了提高系统的吞吐量，另外操作系统内核中的磁盘高速缓存区，也可以有效的减少磁盘的访问次数。

传统的数据传输方式

如果服务端提供数据传输功能，传统方式：将文件从磁盘上读取出来，然后通过网络协议写入，发送给客户端。

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

其中涉及到的内部流程如下：

• 第一次拷贝（DMA拷贝）：把数据从磁盘上拷贝到操作系统内核缓冲区。
• 第二次拷贝（CPU拷贝）：把内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区，此时我们的程序就可以使用读到的数据
• 第三次拷贝（CPU拷贝）：把用户缓冲区的数据再拷贝到内核的socket缓冲区（套接字缓冲区）。
• 第四次拷贝（DMA拷贝）：把内核的socket缓冲区数据拷贝到网卡缓冲区中。

零拷贝方式

• 第一次拷贝（DMA拷贝）：通过DMA技术将磁盘数据拷贝到内核缓冲区中。
• 第二次拷贝（DMA拷贝）：内核缓冲区的"描述符"+"长度"传到socket缓冲区，然后SG-DMA控制器可直接将内核缓冲区中的数据拷贝到网卡中。此过程不需要将内核缓冲区中的数据拷贝到socket缓冲区中，这样减少了一次数据拷贝。

总结

零拷贝技术相对于传统文件传输，减少了2次上下文切换、2次CPU拷贝，最终只用2次上下文切换和2次DMA拷贝，不经过CPU拷贝。

扩展

内核缓冲区实际上是磁盘高速缓存（PageCache），通常刚被访问的数据段时间内再次被访问的概率很高，于是我们可以用PageCache来缓存最近被访问的数据，，当空间不足时淘汰最久未被访问的缓存，所以读磁盘数据的时候，优先在PageCache中找，如果有就返回，没有则从磁盘读取，然后缓存在PageCache中。PageCache也具备预读功能。

例：假设read方法每次读取32kb字节，虽然read刚开始只读0~32kb的字节，但是内核会将后面的32~64KB也读取到PageCache，这样读取后面32~64kb的时候，如果在32~64kb数据被淘汰出PageCache前，进程读取到它了，此时速度就很快。