详解计算机IO操作的零拷贝

零拷贝是指计算机执行IO操作时，CPU不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及CPU的拷贝时间。它是一种I/O操作优化技术。

传统 IO 的执行流程

传统的IO流程，包括read和write的过程。

• 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。

1. 用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用，上下文从用户态转为内核态（切换1）
2. DMA控制器把数据从磁盘中，读取到内核缓冲区。
3. CPU把内核缓冲区数据，拷贝到用户应用缓冲区，上下文从内核态转为用户态（切换2），read函数返回
4. 用户应用进程通过write函数，发起IO调用，上下文从用户态转为内核态（切换3）
5. CPU将用户缓冲区中的数据，拷贝到socket缓冲区
6. DMA控制器把数据从socket缓冲区，拷贝到网卡设备，上下文从内核态切换回用户态（切换4），write函数返回

传统IO的读写流程，包括了4次上下文切换（4次用户态和内核态的切换），4次数据拷贝（两次CPU拷贝以及两次的DMA拷贝)。

零拷贝实现方式：

零拷贝并不是没有拷贝数据，而是减少用户态/内核态的切换次数以及CPU拷贝的次数。零拷贝一般有这三种实现方式：

• mmap+write
• sendfile
• 带有DMA收集拷贝功能的sendfile

mmap+write

mmap就是用了虚拟内存这个特点，它将内核中的读缓冲区与用户空间的缓冲区进行映射，以减少数据拷贝次数！

1. 用户进程通过mmap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。
2. CPU利用DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
3. 上下文从内核态切换回用户态，mmap方法返回。
4. 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。
5. CPU将内核缓冲区的数据拷贝到的socket缓冲区。
6. CPU利用DMA控制器，把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，上下文从内核态切换回用户态，write调用返回。

mmap+write实现的零拷贝，I/O发生了4次用户空间与内核空间的上下文切换，以及3次数据拷贝（包括了2次DMA拷贝和1次CPU拷贝）。

sendfile

sendfile表示在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

1. 用户进程发起sendfile系统调用，上下文（切换1）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将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
4. DMA控制器，异步把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，
5. 上下文（切换2）从内核态切换回用户态，sendfile调用返回。

sendfile实现的零拷贝，I/O发生了2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。

带有DMA收集拷贝功能的sendfile

linux 2.4版本之后，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。使用这个特点搞零拷贝，即还可以多省去一次CPU拷贝。