C++_面试15_零拷贝

📌 面试题 1：什么是零拷贝？

标准答案：

零拷贝（Zero-Copy）是一种减少或消除 CPU 内存复制的技术，使数据在 用户态与内核态之间不发生拷贝。
数据只在内核内部移动，或者直接经 DMA 发送到 NIC，大幅减少 CPU 开销与上下文切换。

📌 面试题 2：Linux 上 Zero-Copy 是哪些函数实现的？

标准答案：

Linux 的 Zero-Copy 由系统调用提供：

• sendfile() —— 文件直接发送到 socket

• splice() —— 内核 fd → fd 之间传输

• tee() —— 管道复制但不拷贝内存

• mmap() —— 文件映射到用户空间（读零拷贝，但写/发送不完全 zero）

这些函数避免了传统 read/write 产生的两次拷贝和两次切换。

Linux 下 Zero-Copy 的核心函数（系统调用）

#include <sys/sendfile.h>

sendfile(out_fd, in_fd, offset, count);

用途：
从文件直接发送到 socket，不经过用户态缓冲区。

数据流程（零拷贝）：

Disk → Kernel Buffer → Socket Buffer → NIC
            (无用户态拷贝)
2. mmap() + write() —— 让文件直接映射到用户态

void* p = mmap(NULL, size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
用途：
让用户空间访问文件内容，不需要 read() 拷贝。

流程：

Disk → Kernel Page Cache
User read buffer 只是指针访问内核同一块内存
注意：
mmap + write 并不是严格零拷贝，还涉及一次 NIC 发送拷贝。

2. mmap() + write() —— 让文件直接映射到用户态

void* p = mmap(NULL, size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
用途：
让用户空间访问文件内容，不需要 read() 拷贝。

Disk → Kernel Page Cache
User read buffer 只是指针访问内核同一块内存
注意：
mmap + write 并不是严格零拷贝，还涉及一次 NIC 发送拷贝。

3. splice() —— 内核缓冲区之间管道传输（零拷贝）

splice(fd_in, NULL, fd_out, NULL, len, SPLICE_F_MORE | SPLICE_F_MOVE);
用途：
在 内核文件描述符之间 直接搬运数据，不经过用户态。

文件 → 管道 → socket
全过程不进入用户态。

4. tee() —— 拷贝管道数据但不复制内容（零拷贝）

tee(fd_in, fd_out, len, SPLICE_F_NONBLOCK);

用途：
复制管道数据流，但不拷贝实际内容（引用计数 + page 共享）
🔥 Zero-Copy 函数组合（Nginx/Tengine 用法）

例如：
sendfile + splice + tee 常被用来实现高性能 Web 服务器。

📌 面试题 3：sendfile() 与传统 read/write 的区别？

传统方式：
文件 → 内核 → 用户 → 内核 → NIC（4 次拷贝）

sendfile：
文件 → 内核 → NIC（1 次 DMA，0 次用户拷贝）

优势：

tee

📌 面试题 6：std::move 是 Zero-copy 吗？

• CPU 使用率更低

• 内存带宽占用更少

• 更少的系统调用和上下文切换

• 大幅提升网络 IO 性能

• 📌 面试题 4：mmap 是不是零拷贝？

  标准答案（面试官爱听）：

  mmap 是 “内存映射零拷贝”，只减少了文件读的拷贝（无需 read() 将数据拷贝到用户态）。
  但如果数据需要发送到 socket，仍然需要经过：

• Kernel Buffer → Socket Buffer → NIC

• 因此：
  ✔ mmap 是用于 “文件读取” 的零拷贝
  ✘ 不是网络发送端的完全零拷贝

• 📌 面试题 5：splice / tee 适合什么场景？

• splice

• 管道模式

• TCP 代理、反向代理

• 如多播、日志复制

• 复制管道数据但不复制内存内容

• 共享相同的 page cache

• 文件 → socket，不经过用户态

标准答案：

不是。

std::move 是编译器语义，用来把对象转为右值引用。
它减少用户态深拷贝，但与 OS 零拷贝完全无关。

Zero-copy 指的是：

🔥 用户态 ↔ 内核态之间不发生复制

完全不同层面的概念

📌 面试题 7：如何画 Zero-Copy 的数据流（终极版）

传统 read + write

read()
Disk → Kernel → User
write()
User → Kernel → NIC

总共 4 次拷贝，2 次上下文切换
sendfile()

DMA: Disk → Kernel
Zero-copy: Kernel → Socket
DMA: Socket → NIC

总共 0 次用户态拷贝，仅 1 次 DMA

 Eg:功能：客户端连接后，服务器使用 sendfile() 零拷贝将一个文件直接传给客户端
特点：
✔ epoll + 非阻塞 IO
✔ sendfile 完全零拷贝
✔ 无用户态 buffer
✔ 面试标准写法

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/sendfile.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <iostream>

#define PORT 8888
#define MAX_EVENTS 1024

int main() {
    int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 设置非阻塞
    fcntl(listen_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

    sockaddr_in addr{};
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    addr.sin_port = htons(PORT);
    bind(listen_fd, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    listen(listen_fd, 128);

    // epoll 创建
    int epfd = epoll_create1(0);

    epoll_event ev{}, events[MAX_EVENTS];
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = listen_fd;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev);

    std::cout << "Zero-copy server running on port " << PORT << std::endl;

    const char* filename = "test.txt";   // 要发送的文件

    while (true) {
        int n = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);

        for (int i = 0; i < n; ++i) {
            int fd = events[i].data.fd;

            // 处理新连接
            if (fd == listen_fd) {
                int client_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);
                fcntl(client_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

                ev.events = EPOLLIN;
                ev.data.fd = client_fd;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &ev);

                std::cout << "Client connected: " << client_fd << std::endl;
            }
            else {
                // 处理客户端请求（此处简化为：只要读到数据就发送文件）
                char buf[1024];
                int ret = read(fd, buf, sizeof(buf));

                if (ret <= 0) {
                    close(fd);
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, nullptr);
                    continue;
                }

                // 打开文件
                int file_fd = open(filename, O_RDONLY);
                if (file_fd < 0) continue;

                // 获取文件大小
                off_t offset = 0;
                off_t filesize = lseek(file_fd, 0, SEEK_END);
                lseek(file_fd, 0, SEEK_SET);

                // 🔥 核心：sendfile（零拷贝发送）
                ssize_t sent = sendfile(fd, file_fd, &offset, filesize);
                std::cout << "Sent " << sent << " bytes by zero-copy\n";

                close(file_fd);
            }
        }
    }

    return 0;
}

技术	用户态拷贝	内核态拷贝	是否零拷贝	用途
mmap + write	❌ 有一次	✔ 有一次	❌ 半零拷贝	随机读/写
sendfile	❌ 0 次	✔ 1 次（内核内部）	✔ 完全零拷贝	大文件发送

🧠 Windows Zero-Copy API 总表（最简答版）

API	类型	是否零拷贝	常用场景
TransmitFile	✔ 文件发送	✔ 完全零拷贝	大文件、静态资源发送
TransmitPackets	✔ 混合数据	✔ 零拷贝或部分零拷贝	HTTP header + body
AcceptEx	✔ 接受连接	✔ 零拷贝	高级 TCP 服务器/IOCP
WSASend/WSARecv	通用 IO	⚠ 仅 Buffer 注册时	高吞吐 IOCP
ReadFileScatter / WriteFileGather	分散/聚集 IO	半零拷贝	大文件读写