对零拷贝技术的思考过程

名词

• CPU拷贝：将内核缓存区的数据拷贝到用户缓存区
• DMA拷贝：将外设上的数据拷贝到内核缓存区
• 系统调用：应用程序调用操作系统的接口
• 上下文切换：用户态和内核态，应用调用操作系统的接口，操作系统调用CPU内核工作，需要从用户态切换到内核态。系统调用返回，就会从内核态切换成用户态。一次系统调用涉及到两次上下文切换

原理

一次完整的读取数据的流程如下：

• 用户进程调用 read 方法，向操作系统发出 I/O 请求，请求读取数据到自己的用户缓冲区中，进程进入阻塞状态，用户态切换至内核态；
• 操作系统收到请求后，进一步将 I/O 请求发送 DMA，然后让 CPU 可以执行其他任务；
• DMA 进一步将 I/O 请求发送给磁盘；
• 磁盘收到 DMA 的 I/O 请求，把数据从磁盘读取到磁盘控制器的缓冲区中，当磁盘控制器的缓冲区被读满后，向 DMA 发起中断信号，告知自己缓冲区已满；
• DMA 收到磁盘的信号，将磁盘控制器缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区中，此时不占用 CPU，CPU 可以执行其他任务；
• 当 DMA 读取了足够多的数据，就会发送中断信号给 CPU；
• CPU 收到 DMA 的信号，知道数据已经准备好，于是将数据从内核拷贝到用户空间，系统调用返回，内核态切换至用户态；
  
  而一个完整的读写操作如下：
  
  可知IO操作中主要耗时操作如下：
• 4次数据拷贝，其中DMA和CPU分别拷贝2次(CPU的时间多宝贵啊)
• 2次系统调用导致的4 次用户态与内核态的上下文切换

如何优化整个IO过程呢？

也就是零拷贝技术的原理原理：减少「用户态与内核态的上下文切换」和「数据拷贝」的次数。

• 减少上下文切换到次数
  • 每次系统调用都需要两次上下文切换，所以需要实现减少系统调用的次数
• 如何减少「数据拷贝」的次数
  • 从内核的读缓冲区-----用户的缓冲区里----- socket 的缓冲区里这个过程，去除拷贝到用户缓冲区，直接将内核缓冲区到socket缓冲区。

几种实现零拷贝技术的区别

可以看出，无论是传统的 I/O 方式，还是引入了零拷贝之后，2 次 DMA(Direct Memory Access) 拷贝是都少不了的。因为两次 DMA 都是依赖硬件完成的。零拷贝主要是减少了 CPU 拷贝及上下文的切换。

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