原文: https://blog.csdn.net/lk_wkqd/article/details/50242523

對于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸或I/O數(shù)據(jù)拷貝而言，零拷貝技術(shù)主要指的是避免內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶緩沖區(qū)中的不必要的數(shù)據(jù)拷貝操作。

Linux傳統(tǒng)I/O

Linux傳統(tǒng)I/O操作是一種緩沖I/O，在數(shù)據(jù)傳輸中，操作系統(tǒng)會(huì)將 I/O 的數(shù)據(jù)緩存在文件系統(tǒng)的頁緩存中，即操作系統(tǒng)內(nèi)核緩沖區(qū)中。
比如：在網(wǎng)絡(luò)中傳輸一個(gè)文件時(shí)，發(fā)送端應(yīng)用程序會(huì)先檢查內(nèi)核緩沖區(qū)中有沒有需要發(fā)送的這個(gè)文件的數(shù)據(jù)，如果沒有，則會(huì)將這個(gè)文件從磁盤拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)中，然后再從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的用戶緩沖區(qū)，如果應(yīng)用程序不對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或處理完畢之后，再將文件拷貝到內(nèi)核中的socket發(fā)送緩沖區(qū)（比如TCP發(fā)送緩沖區(qū)），待內(nèi)核socket緩沖區(qū)中有足夠的數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)卡上，然后在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。其數(shù)據(jù)傳輸過程如下圖所示：

這里寫圖片描述

其過程至少發(fā)生了四次數(shù)據(jù)的拷貝，其頻繁的讀寫對CPU的使用和內(nèi)存的帶寬開銷是非常大的。

零拷貝技術(shù)

零拷貝技術(shù)相對傳統(tǒng)I/O技術(shù)來說，主要是避免數(shù)據(jù)傳輸過程中頻繁的數(shù)據(jù)拷貝操作，提高傳輸效率，并且使CPU有更多時(shí)間執(zhí)行其它任務(wù)。

零拷貝技術(shù)分類

• 直接I/O機(jī)制：

通過上面的介紹，普通I/O（即緩沖I/O）會(huì)被內(nèi)核緩存。相對于普通I/O機(jī)制，直接I/O機(jī)制對文件的訪問不經(jīng)過內(nèi)核的緩存，數(shù)據(jù)直接在磁盤和應(yīng)用程序地址空間進(jìn)行傳輸。這就避免了內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝，降低了讀寫操作對CPU的使用以及對內(nèi)存帶寬的占用。
但是直接 I/O 不能提供緩存 I/O 的優(yōu)勢。緩存 I/O 的讀操作可以從高速緩沖存儲(chǔ)器中快速獲取數(shù)據(jù)，而直接 I/O 的讀數(shù)據(jù)操作會(huì)造成磁盤的同步讀，導(dǎo)致進(jìn)程需要較長的時(shí)間才能執(zhí)行完。

• 不經(jīng)過用戶緩沖區(qū)：

主要是指不需要將數(shù)據(jù)拷貝或者映射到應(yīng)用程序地址空間中，直接在內(nèi)核中傳輸。
比如sendfile( )系統(tǒng)調(diào)用：sendfile( ) 系統(tǒng)調(diào)用利用 DMA 將文件中的數(shù)據(jù)拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核緩沖區(qū)中，然后數(shù)據(jù)被拷貝到與 socket 相關(guān)的內(nèi)核緩沖區(qū)中。接下來，DMA 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核 socket 緩沖區(qū)中拷貝到網(wǎng)卡中去。如果在用戶調(diào)用 sendfile ( ) 系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中有其他進(jìn)程截?cái)嗔嗽撐募?，那?sendfile ( ) 系統(tǒng)調(diào)用會(huì)簡單地返回給用戶應(yīng)用程序中斷前所傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，errno 會(huì)被設(shè)置為 success。
其傳輸過程如下：

這里寫圖片描述

由于sendfile( )函數(shù)只能往socket上寫數(shù)據(jù)，因此它幾乎是專門為了在網(wǎng)絡(luò)上傳輸文件而設(shè)計(jì)的。

DMA簡介：Direct Memory Access（存儲(chǔ)器直接訪問）。這是指一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作，允許在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器之間直接讀寫數(shù)據(jù)，既不通過CPU，也不需要CPU干預(yù)。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸操作在一個(gè)稱為”DMA控制器”的控制下進(jìn)行的。CPU除了在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時(shí)做一點(diǎn)處理外，在傳輸過程中CPU可以進(jìn)行其他的工作。這樣，在大部分時(shí)間里，CPU和輸入輸出都處于并行操作。因此，使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率大大提高。

• 優(yōu)化數(shù)據(jù)在內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶緩沖區(qū)之間的傳輸：

保留了傳統(tǒng)的在用戶應(yīng)用程序地址空間和操作系統(tǒng)內(nèi)核地址空間之間傳遞數(shù)據(jù)的技術(shù)，但卻在傳輸上進(jìn)行優(yōu)化。
比如寫時(shí)復(fù)制技術(shù)：如果多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)訪問同一塊數(shù)據(jù)，但這塊數(shù)據(jù)只有一份，那么可以為這些應(yīng)用程序分配指向這塊數(shù)據(jù)的指針，在每一個(gè)應(yīng)用程序看來，它們都擁有這塊數(shù)據(jù)的一份數(shù)據(jù)拷貝。若一個(gè)應(yīng)用程序需要訪問但不修改該數(shù)據(jù)時(shí)，直接讀這個(gè)數(shù)據(jù)而不復(fù)制，但當(dāng)應(yīng)用程序需要對這塊數(shù)據(jù)進(jìn)行修改的時(shí)候，就需要將數(shù)據(jù)真正地拷貝到該應(yīng)用程序的地址空間中去，也就是說，該應(yīng)用程序擁有了一份真正的私有數(shù)據(jù)拷貝，對這份私有數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。這樣做是為了避免該應(yīng)用程序?qū)@塊數(shù)據(jù)做的更改被其他應(yīng)用程序看到。這個(gè)過程對于應(yīng)用程序來說是透明的，如果應(yīng)用程序永遠(yuǎn)不會(huì)對所訪問的這塊數(shù)據(jù)進(jìn)行任何更改，那么就永遠(yuǎn)不需要將數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用程序自己的地址空間中去。

以上只進(jìn)行了比較淺的分析，知識(shí)有限，找了一些深入的資料沒有看懂，比如其實(shí)現(xiàn)機(jī)理，等需要對Linux內(nèi)核深入學(xué)習(xí)的時(shí)候在回頭看，不過暫時(shí)理解這些對于網(wǎng)絡(luò)編程已經(jīng)有很大的幫助了。

相關(guān)資料：
Linux 中的零拷貝技術(shù)第 1 部分
Linux 中的零拷貝技術(shù)第 2 部分