零拷贝

电玩女神 2022-12-11 03:15 252阅读 0赞

### 零拷贝 ###

*   *   *  概念
         *  优点
         *  传统拷贝方式
         *  零拷贝方式
         *  Gather Copy DMA零拷贝
         *  mmap零拷贝

### 概念 ###

零拷贝指的是，从一个存储区域到另一个存储区域的copy任务没有`CPU(ALU,Arithmetic Logic Unit算术逻辑单元)`参与。通常用于网络文件传输。

### 优点 ###

*  减少CPU消耗和内存带宽占用
 *  减少`用户空间`（用户可操作性的内存缓存区域）与`CPU内核空间`(CPU可操作性的内存缓存区域以及寄存器缓存)的拷贝过程
 *  减少`用户上下文`（用户状态环境）与`CPU内核上下文`（CPU状态环境）间的切换

零拷贝需要`DMA控制器`的协助。DMA(Direct Memory Access)，直接内存存取，是CPU的组成部分，其可以在CPU内核（算术逻辑运算器ALU等）不参与运算的情况下将数据从一个地址空间拷贝到另一个地址空间。

### 传统拷贝方式 ###

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XufAWUhY-1601220140043)(C:\\Users\\bbxyl\\Desktop\\nginx\\image-20200927223454188.png)\]][img-XufAWUhY-1601220140043_C_Users_bbxyl_Desktop_nginx_image-20200927223454188.png]

> 该拷贝方式共进行了4次用户空间与内核空间的上下文切换，以及4次数据拷贝，其中两次拷贝存在CPU参与
> 
> 应用程序的作用仅仅就是一个数据传输的中介，最后将kernel buffer中的数据传递到了socket buffer。

### 零拷贝方式 ###

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-evp3BKWa-1601220140045)(C:\\Users\\bbxyl\\Desktop\\nginx\\image-20200927223832893.png)\]][img-evp3BKWa-1601220140045_C_Users_bbxyl_Desktop_nginx_image-20200927223832893.png]  
Linux系统（CentOS6及其以上版本）对于零拷贝是通过sendfile系统调用实现的

> 该拷贝方式共进行了2次用户空间与内核空间的上下文切换和3次数据拷贝，但整个过程均没有CPU的参与
> 
> 问：kernel buffer到socket buffer的拷贝需要吗？kernel buffer与socket buffer有什么区别呢？
> 
> 答：DMA控制器所控制的拷贝过程有一个要求，数据在源头的存放地址空间必须是连续的。kernel buffer中的数据无法保证其连续性，所以需要将数据再拷贝到socket buffer，socket buffer可以保证了数据的连续性。
> 
> 问：这个拷贝过程能否避免呢？
> 
> 答：可以，只要主机的DMA支持Gather Copy功能，就可以避免由kernel buffer到socket buffer的拷贝。

### Gather Copy DMA零拷贝 ###

该拷贝方式是由DMA完成，与系统无关，所以只要保证系统支持sendfile系统调用功能即可。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0U3BzEQb-1601220140048)(C:\\Users\\bbxyl\\Desktop\\nginx\\image-20200927224310791.png)\]][img-0U3BzEQb-1601220140048_C_Users_bbxyl_Desktop_nginx_image-20200927224310791.png]

> 该拷贝方式共进行了2次用户空间与内核空间的上下文切换和2次数据拷贝，整个过程均没有CPU的参与
> 
> 问：该拷贝方式有什么不足？
> 
> 答：传统拷贝中user buffer中存有数据，因此应用程序能够对数据进行修改等操作；零拷贝中的user buffer中没有了数据，所以应用程序无法对数据进行操作了。Linux的mmap零拷贝解决了这个问题。

### mmap零拷贝 ###

mmap零拷贝是对零拷贝的改进。当然，若当前主机的DMA支持Gather Copy，mmap同样可以实现Gather Copy DMA的零拷贝。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cjGIiFHc-1601220140056)(C:\\Users\\bbxyl\\Desktop\\nginx\\image-20200927224639333.png)\]][img-cjGIiFHc-1601220140056_C_Users_bbxyl_Desktop_nginx_image-20200927224639333.png]

> 该拷贝方式共进行了4次用户空间与内核空间的上下文切换和2次数据拷贝，整个过程均没有CPU的参与
> 
> 虽然较之前面的零拷贝增加了两次上下文切换，但应用程序可以对数据进行修改了

[img-XufAWUhY-1601220140043_C_Users_bbxyl_Desktop_nginx_image-20200927223454188.png]: /images/20221123/0889db0562e54239b8dac9bbc1bdc4d6.png
[img-evp3BKWa-1601220140045_C_Users_bbxyl_Desktop_nginx_image-20200927223832893.png]: /images/20221123/76ba578ca3b44db4b6337d57adc16f9a.png
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