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零拷贝Zero-Copy技术如何理解

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简介这篇文章将为大家详细讲解有关零拷贝Zero-Copy技术如何理解,文章内容质量较高,因此小编分享给大家做个参考,希望大家阅读完这篇文章后对相关知识有一定的了解。 1.前言 今天和大

这篇文章将为大家详细讲解有关零拷贝Zero-Copy技术如何理解,文章内容质量较高,因此小编分享给大家做个参考,希望大家阅读完这篇文章后对相关知识有一定的了解。

 1.前言

今天和大家一起学习个底层技术点-零拷贝Zero-Copy。

Linux系统中一切皆文件,仔细想一下Linux系统的很多活动无外乎读操作和写操作,零拷贝就是为了提高读写性能而出现的。

废话不多说,马上开大车,走起!

2. 数据拷贝基础过程

在Linux系统内部缓存和内存容量都是有限的,更多的数据都是存储在磁盘中。对于Web服务器来说,经常需要从磁盘中读取数据到内存,然后再通过网卡传输给用户:

上述数据流转只是大框,接下来看看几种模式。

2.1 仅CPU方式

    当应用程序需要读取磁盘数据时,调用read()从用户态陷入内核态,read()这个系统调用最终由CPU来完成;

    CPU向磁盘发起I/O请求,磁盘收到之后开始准备数据;

    磁盘将数据放到磁盘缓冲区之后,向CPU发起I/O中断,报告CPU数据已经Ready了;

    CPU收到磁盘控制器的I/O中断之后,开始拷贝数据,完成之后read()返回,再从内核态切换到用户态;

    2.2 CPU&DMA方式

    CPU的时间宝贵,让它做杂活就是浪费资源。

    直接内存访问(Direct Memory  Access),是一种硬件设备绕开CPU独立直接访问内存的机制。所以DMA在一定程度上解放了CPU,把之前CPU的杂活让硬件直接自己做了,提高了CPU效率。

    目前支持DMA的硬件包括:网卡、声卡、显卡、磁盘控制器等。

    有了DMA的参与之后的流程发生了一些变化:

    最主要的变化是,CPU不再和磁盘直接交互,而是DMA和磁盘交互并且将数据从磁盘缓冲区拷贝到内核缓冲区,之后的过程类似。

    “【敲黑板】无论从仅CPU方式和DMA&CPU方式,都存在多次冗余数据拷贝和内核态&用户态的切换。”

    我们继续思考Web服务器读取本地磁盘文件数据再通过网络传输给用户的详细过程。

    3.普通模式数据交互

    一次完成的数据交互包括几个部分:系统调用syscall、CPU、DMA、网卡、磁盘等。

    系统调用syscall是应用程序和内核交互的桥梁,每次进行调用/返回就会产生两次切换:

      调用syscall 从用户态切换到内核态

      syscall返回 从内核态切换到用户态

      来看下完整的数据拷贝过程简图:

      读数据过程:

        应用程序要读取磁盘数据,调用read()函数从而实现用户态切换内核态,这是第1次状态切换;

        DMA控制器将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区,这是第1次DMA拷贝;

        CPU将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区,这是第1次CPU拷贝;

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