零拷贝

传统IO

基于传统的IO方式，底层实际上通过调用read()和write()来实现。基本操作就是循环的从磁盘读入文件内容到缓冲区，再将缓冲区的内容发送到Socket。但是由于Linux的IO操作默认是缓冲I/O，在这两个系统调用之后，数据已经被复制了至少四次，并且几乎执行了同样次数的用户/内核空间的上下文切换。

while((n = read(diskfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)
    write(sockfd, buf, n);

整个过程发生了4次用户态和内核态的上下文切换和4次拷贝，具体流程如下：

• read系统调用导致上下文从用户模式切换到内核模式。第一个副本由DMA引擎执行，DMA引擎从磁盘读取文件内容并将它们存储到内核地址空间缓冲区中。
• 将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区，并且read系统调用返回。read调用返回导致上下文从内核切换回用户模式。现在数据存储在用户地址空间缓冲区中。
• write系统调用导致上下文从用户模式切换到内核模式。执行第三次复制，以再次将数据放入内核地址空间缓冲区。这个时候，数据被放入一个不同的缓冲区，一个与sockets相关联的缓冲区。
• 写系统调用返回，创建我们的第四个上下文切换。独立和异步地，当DMA引擎将数据从内核缓冲区传递到协议引擎时，发生第四次复制。

很多数据复制操作并不是真正需要的，可以消除一些复制操作以减少开销并提高性能，在此过程中，我们没有对文件内容做任何修改，那么在内核空间和用户空间来回拷贝数据无疑就是一种浪费，而零拷贝主要就是为了解决这种低效性。零拷贝主要的任务就是避免CPU将数据从一块存储拷贝到另外一块存储，主要就是利用各种零拷贝技术，避免让CPU做大量的数据拷贝任务，减少不必要的拷贝，或者让别的组件来做这一类简单的数据传输任务，让CPU解脱出来专注于别的任务。这样就可以让系统资源的利用更加有效。

COW

零拷贝技术都是减少数据在用户空间和内核空间拷贝技术实现的，但是有些时候，数据必须在用户空间和内核空间之间拷贝。这时候，我们只能针对数据在用户空间和内核空间拷贝的时机上下功夫了。Linux通常利用写时复制(copy on write)来减少系统开销，这个技术又时常称作COW。

如果多个程序同时访问同一块数据，那么每个程序都拥有指向这块数据的指针，在每个程序看来，自己都是独立拥有这块数据的，只有当程序需要对数据内容进行修改时，才会把数据内容拷贝到程序自己的应用空间里去，这时候，数据才成为该程序的私有数据。如果程序不需要对数据进行修改，那么永远都不需要拷贝数据到自己的应用空间里。这样就减少了数据的拷贝。

Links

• https://www.linuxjournal.com/article/6345
• https://www.jianshu.com/p/fad3339e3448
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/76640160
• https://leokongwq.github.io/2017/01/12/linux-zero-copy.html