DPDK基础知识之：零拷贝技术

一、什么是零拷贝？

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1.传统网络IO

很多应用程序在面临客户端请求时，可以等价为进行如下的系统调用：

• File.read(file, buf, len);

• Socket.send(socket, buf, len);

在没有任何优化技术使用的背景下，操作系统为此会进行4 次数据拷贝，以及4 次上下文切换，如下图所示：

如果没有优化，读取磁盘数据，再通过网卡传输的场景性能比较差，在如今的应用服务中很容易就出现性能瓶颈：

4 次 copy：

• CPU 负责将数据从磁盘搬运到内核空间的 Page Cache 中；

• CPU 负责将数据从内核空间的 Socket 缓冲区搬运到网络中；

• CPU 负责将数据从内核空间的 Page Cache 搬运到用户空间的缓冲区中；

• CPU 负责将数据从用户空间的缓冲区搬运到内核空间的 Socket 缓冲区中；

4 次上下文切换：

• read 系统调用时：用户态切换到内核态；

• read 系统调用完毕：内核态切换回用户态；

• write 系统调用时：用户态切换到内核态；

• write 系统调用完毕：内核态切换回用户态；

CPU 全程负责内存内的数据拷贝还可以接受，因为效率还算可以接受，但是如果要全程负责内存与磁盘、网络的数据拷贝，这将难以接受。因为磁盘、网卡的速度远小于内存，内存又远远小于 CPU；4 次 copy 、4 次上下文切换，所以就有了IO的问题，那么瓶颈也就出来了。

2.零拷贝

零拷贝主要的任务就是避免CPU将数据从一块存储拷贝到另外一块存储，主要就是利用各种零拷贝技术，避免让CPU做大量的数据拷贝任务，减少不必要的拷贝，或者让别的组件来做这一类简单的数据传输任务，让CPU解脱出来专注于别的任务。这样就可以让系统资源的利用更加有效。

零拷贝技术是一个思想，指的是指计算机执行操作时，CPU 不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域。

可见，零拷贝的特点是 CPU 不全程负责内存中的数据写入其他组件，CPU 仅仅起到管理的作用。但注意，零拷贝不是不进行拷贝，而是 CPU 不再全程负责数据拷贝时的搬运工作。如果数据本身不在内存中，那么必须先通过某种方式拷贝到内存中（这个过程 CPU 可以不参与），因为数据只有在内存中，才能被转移，才能被 CPU 直接读取计算。

二、DMA参与下的数据四次拷贝

DMA 技术很容易理解，本质上，DMA 技术就是我们在主板上放一块独立的芯片。在进行内存和 I/O 设备的数据传输的时候，我们不再通过 CPU 来控制数据传输，而直接通过 DMA 控制器（DMA Controller，简称 DMAC）。这块芯片，我们可以认为它其实就是一个协处理器（Co-Processor）。

DMAC最有价值的地方体现在，当我们要传输的数据特别大、速度特别快，或者传输的数据特别小、速度特别慢的时候。

例如，我们用千兆网卡或者硬盘传输大量数据的时候，如果都用 CPU 来搬运的话，肯定忙不过来，所以可以选择 DMAC。而当数据传输很慢的时候，DMAC 可以等数据到齐了，再发送信号，给到 CPU 去处理ÿ