Sendfile & Zero-copy

1. 典型IO调用

一个典型的IO调用过程如下：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

首先调用read将文件从磁盘读取到tmp_buf，然后调用write将tmp_buf写入到socket，在这过程中会出现四次数据 copy，过程如下图：

1. 当调用 read 系统调用时，通过DMA（Direct Memory Access）将数据copy到内核模式
2. 然后由 CPU 控制将内核模式数据 copy 到用户模式下的 buffer 中
3. read 调用完成后，write 调用首先将用户模式下 buffer 中的数据 copy 到内核模式下的 socket buffer 中
4. 最后通过 DMA copy 将内核模式下的 socket buffer 中的数据 copy 到网卡设备中传送

从上面的过程可以看出，数据从内核模式到用户模式走了一 圈，浪费了两次copy，而这两次copy都是CPU copy，即占用CPU资源。

2. sendfile zero-copy

Linux 2.1 版本内核引入了 sendfile 函数，用于将文件通过socket传送。

sendfile(socket, file, len);

该函数通过一次系统调用完成了文件的传送，减少了原来 read/write 方式的模式切换。此外更是减少了数据的copy，sendfile的详细过程如下图

1. 首先通过 DMA copy 将数据从磁盘读取到 kernel buffer 中
2. 然后通过 CPU copy 将数据从 kernel buffer copy到 sokcet buffer中
3. 最终通过 DMA copy 将 socket buffer 中数据 copy 到网卡 buffer 中发送

sendfile 与 read/write 方式相比，少了 一次模式切换和一次 CPU copy。但是从上述过程中也可以发现从 kernel buffer 中将数据 copy 到 socket buffer 是没必要的。

Linux 2.4 内核对 sendfile 做了改进，如下图所示

改进后的处理过程如下：

1. DMA copy 将磁盘数据 copy 到 kernel buffer 中
2. 向 socket buffer 中追加当前要发送的数据在 kernel buffer 中的位置和偏移量
3. DMA gather copy 根据 socket buffer 中的位置和偏移量直接将 kernel buffer 中的数据 copy 到网卡上。

经过上述过程，数据只经过了 2 次 copy 就从磁盘传送出去了。

3. Java NIO transferTo()

Java NIO中

FileChannel.transferTo(long position, long count, WriteableByteChannel target)

方法将当前通道中的数据传送到目标通道target中，在支持 Zero-Copy 的linux系统中，transferTo() 的实现依赖于 sendfile()调用。