零拷贝原理

最新推荐文章于 2025-06-26 14:12:27 发布
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分类专栏： nio

     为何要懂零拷贝原理？因为rocketmq存储核心使用的就是零拷贝原理。

  1. io读写的方式
    1. 中断
    2. DMA
  2. 中断方式
    1. 中断方式的流程图如下：

      1. 用户进程发起数据读取请求
      2. 系统调度为该进程分配cpu
      3. cpu向io控制器(ide,scsi)发送io请求
      4. 用户进程等待io完成，让出cpu
      5. 系统调度cpu执行其他任务
      6. 数据写入至io控制器的缓冲寄存器
      7. 缓冲寄存器满了向cpu发出中断信号
      8. cpu读取数据至内存
    2. 缺点：中断次数取决于缓冲寄存器的大小
  3. DMA ： 直接内存存取
    1. DMA方式的流程图如下：

      1. 用户进程发起数据读取请求
      2. 系统调度为该进程分配cpu
      3. cpu向DMA发送io请求
      4. 用户进程等待io完成，让出cpu
      5. 系统调度cpu执行其他任务
      6. 数据写入至io控制器的缓冲寄存器
      7. DMA不断获取缓冲寄存器中的数据（需要cpu时钟）
      8. 传输至内存（需要cpu时钟）
      9. 所需的全部数据获取完毕后向cpu发出中断信号
    2. 优点：减少cpu中断次数，不用cpu拷贝数据
  4. 数据拷贝
    1. 下面展示了 传统方式读取数据后并通过网络发送 所发生的数据拷贝：

      1. 一个read系统调用后，DMA执行了一次数据拷贝，从磁盘到内核空间
      2. read结束后，发生第二次数据拷贝，由cpu将数据从内核空间拷贝至用户空间
      3. send系统调用，cpu发生第三次数据拷贝，由cpu将数据从用户空间拷贝至内核空间(socket缓冲区)
      4. send系统调用结束后，DMA执行第四次数据拷贝，将数据从内核拷贝至协议引擎
      5. 另外，这四个过程中，每个过程都发生一次上下文切换
    2. 内存缓冲数据，主要是为了提高性能，内核可以预读部分数据，当所需数据小于内存缓冲区大小时，将极大的提高性能。
    3. 零拷贝是为了消除这个过程中冗余的拷贝
  5. 零拷贝-sendfile 对应到java中
    为FileChannel.transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)//将数据从文件通道传输到了给定的可写字节通道
    1. 避免了第2，3步的数据拷贝，参考下图：

      1. DMA从拷贝至内核缓冲区
      2. cpu将数据从内核缓冲区拷贝至内核空间(socket缓冲区)
      3. DMA将数据从内核拷贝至协议引擎
      4. 这三个过程中共发生2次上下文切换，分别为发起读取文件和发送数据
    2. 以上过程发生了三次数据拷贝，其中有一次为cpu完成
    3. linux内核2.4以后，socket缓冲区做了调整，DMA带收集功能，如下图：

      1. DMA从拷贝至内核缓冲区
      2. 将数据的位置和长度的信息的描述符增加至内核空间(socket缓冲区)
      3. DMA将数据从内核拷贝至协议引擎
  6. 零拷贝-mmap 对应到java中
    为MappedByteBuffer//文件内存映射
    1. 数据不会复制到用户空间，只在内核空间，与sendfile类似，但是应用程序可以直接操作该内存。
  7. 参考资料
    1. http://blog.chinaunix.net/uid-25314474-id-3325879.html
    2. http://blog.chinaunix.net/uid-28874972-id-3725082.html
    3. https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-zerocopy/#fig1
    4. http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-zerocopy1/
    5. https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-zerocopy2/

            > [原文链接](https://blog.youkuaiyun.com/a417930422/article/details/52585862)
【kafka的零拷贝原理】
Roc的博客
02-05 545
零拷贝（Zero-Copy）是一种减少数据拷贝次数，提高数据传输效率的技术。在传统的数据传输过程中，数据需要在用户态和内核态之间多次拷贝，这不仅浪费CPU资源，还会增加延迟。而零拷贝技术通过避免这些不必要的拷贝操作，直接在内核空间进行数据传输，从而大大提高了传输效率。
Netty 零拷贝原理深度解析
ma451152002的专栏
06-03 61
零拷贝（Zero Copy）是指在数据传输过程中，避免在用户空间和内核空间之间进行数据拷贝，从而减少 CPU 开销和内存带宽消耗的技术。// 使用 socket.sendFile 进行零拷贝传输return 1;Netty 的零拷贝技术是现代高性能网络编程的重要基石。通过深入理解其原理和实现，我们可以更好地利用这些技术来构建高性能、低延迟的网络应用。
Java零拷贝原理介绍
思考的力量
05-18 796
Java零拷贝原理介绍DMA 传输原理传统IO方式零拷贝方式用户态直接 I/Ommap+writeSendfileSendfile+DMA gather copyJava使用零拷贝基于内存映射(mmap)基于sendfileRocketMQ 和 Kafka 零拷贝使用对比 DMA 传输原理 在介绍IO方式前，先介绍以下DMA传输原理。DMA 的全称叫直接内存存取(Direct Memory Access)，是一种允许外围设备(硬件子系统)直接访问系统主内存的机制。也就是说，基于 DMA 访问方式，系统主内存
10.零拷贝原理
MQCloud的专栏
09-19 8630
为何要懂零拷贝原理？因为rocketmq和存储核心使用的就是零拷贝原理。 io读写的方式 中断DMA 中断方式 中断方式的流程图如下： 用户进程发起数据读取请求系统调度为该进程分配cpucpu向io控制器(ide,scsi)发送io请求用户进程等待io完成，让出cpu系统调度cpu执行其他任务数据写入至io控制器的缓冲寄存器缓冲寄存器满了向cpu发出中断信号cpu
详解零拷贝
m0_66220639的博客
06-26 870
详解零拷贝
Java基础-零拷贝
wendao76的专栏
09-22 1716
零拷贝（Zero-copy）是一种计算机编程技术和体系结构设计，旨在减少数据在不同缓冲区或内存区域之间的拷贝次数，从而提高系统性能和效率。零拷贝技术主要用于提高数据传输和处理的速度，特别是在涉及大量数据传输的场景中，如网络通信、文件系统操作和多媒体处理等。DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）是一种让外设（如硬盘、网络接口卡等）与计算机内存之间直接进行数据传输的技术，而不需要通过CPU来传输每一个数据块。
java零拷贝的原理,关于java:框架篇小白也能秒懂的Linux零拷贝原理
weixin_29385641的博客
03-16 224
前言大白话解释，零拷贝就是没有把数据从一个存储区域拷贝到另一个存储区域。然而没有数据的复制，怎么可能实现数据的传输呢？其实咱们在java NIO、netty、kafka遇到的零拷贝，并不是不复制数据，而是缩小不必要的数据拷贝次数，从而晋升代码性能零拷贝的益处内核空间和用户空间缓冲区和虚拟内存传统的 I/Ommap+write 实现的零拷贝sendfile 实现的零拷贝带有DMA收集拷贝性能的sen...
java零拷贝的原理_高性能IO背后原理-零拷贝（zero copy）技术
weixin_39575502的博客
02-28 622
高性能IO背后原理-零拷贝(zero copy)技术高性能IO背后原理-零拷贝(zero copy)技术概述：在刚开始接触Kafak、Netty、文件服务器都听高性能，但作为像Java、python这种高级语言的开发人员，对零拷贝这种特性，看不见摸不着的东西，总是了解不够深入和透彻。对自己没有信息，不敢相信自己能写高性能的代码。那是因为你不了解操作系统的特性。预备知识关于I/O内存映射。设备通过控...
零拷贝原理1
08-03
零拷贝原理是现代计算机系统中提高I/O效率的关键技术，尤其在大数据处理、网络通信等领域，如RocketMQ这样的消息中间件中应用广泛。零拷贝的目的是避免数据在内存中不必要的复制，从而减少CPU的负载，提升系统性能。...
Linux零拷贝原理.pdf
07-31
Linux零拷贝原理涵盖了操作系统中I/O操作的高效数据传输机制，该原理利用了现代操作系统内核和硬件的能力，减少了数据在系统调用间拷贝的次数，从而提高了数据传输的效率和性能。接下来将详细阐述相关知识点。 零...
架构篇：Kafka和RokcetMQ高性能底层支撑技术零拷贝原理详解
2401_84046645的博客
04-22 793
虽然我个人也经常自嘲，十年之后要去成为外卖专员，但实际上依靠自身的努力，是能够减少三十五岁之后的焦虑的，毕竟好的架构师并不多。架构师，是我们大部分技术人的职业目标，一名好的架构师来源于机遇(公司)、个人努力(吃得苦、肯钻研)、天分(真的热爱)的三者协作的结果，实践+机遇+努力才能助你成为优秀的架构师。如果你也想成为一名好的架构师，那或许这份Java成长笔记你需要阅读阅读，希望能够对你的职业发展有所帮助。《互联网大厂面试真题解析、进阶开发核心学习笔记、全套讲解视频、实战项目源码讲义》点击传送门即可获取！
Java中的零拷贝（Zero-Copy）技术
weixin_53840353的博客
08-22 1829
零拷贝（Zero-Copy）技术通过减少数据在内存中的拷贝次数，显著提升了I/O操作的性能。本文将深入探讨Java中的零拷贝技术，包括其概念、实现方法、优缺点，并提供相应的代码示例。希望本文能帮助你深入理解Java中的零拷贝技术，并在实际项目中有效利用这一技术提升性能。零拷贝是一种优化技术，旨在减少数据在网络或磁盘I/O操作中的拷贝次数。零拷贝技术通过减少数据在内核态和用户态之间的拷贝次数，显著提升了I/O操作的性能。零拷贝技术通过减少或消除数据在用户态和内核态之间的拷贝次数，从而提高I/O操作的效率。
Java中的零拷贝
qq_45794943的博客
05-11 6783
前言： 在Java程序中，零拷贝技术分为两种：mmap（内存映射）和sendFile，首先要了解零拷贝的概念：所谓的零拷贝不是不拷贝，而是不经过CPU拷贝，它还是需要拷贝的（比如将数据从硬盘拷贝到内核态），这个零拷贝是从操作系统（CPU）的角度看的 传统的IO拷贝 首先将硬盘上的数据拷贝到内核，然后在经过CPU拷贝将数据从内核拷贝到应用程序内存（用户态），在应用程序内存，用户可以对数据进行操作修改等，然后在经过CPU拷贝将数据从用户缓冲区拷贝到socket缓冲区，然后在经过DMA拷贝，将数据从socket
零拷贝原理以及java中实现方式和使用场景
yymagicer的博客
09-23 1701
零拷贝技术通过减少数据在用户空间和内核空间之间的复制次数，极大地提升了 I/O 的性能，特别是在大文件传输、网络通信等场景中具有显著的优势。Java 提供的mmap等 API，以及第三方网络框架（如 Netty）的支持，使得零拷贝技术能够被轻松应用于高性能 I/O 应用中。
(转载)零拷贝的原理及Java实现
Dream_it_possible！的博客
07-02 616
在谈论Kafka高性能时不得不提到零拷贝。Kafka通过采用零拷贝大大提供了应用性能，减少了内核和用户模式之间的上下文切换次数。那么什么是零拷贝，如何实现零拷贝呢？ 什么是零拷贝? WIKI中对其有如下定义： "Zero-copy" describes computer operations in which the CPU does not perform the task of copying data from one memory area to another. 从WIKI的定义中，
零拷贝技术原理的详细解析与java实战方案
qq_39126115的博客
04-26 1151
零拷贝通过减少数据在用户空间和内核空间的冗余拷贝，结合 DMA 和操作系统特性，显著提升了 I/O 性能。利用sendfile()或mmap()绕过用户空间。依赖 DMA 硬件加速数据传输。通过 Scatter/Gather DMA 彻底消除 CPU 拷贝。
java 零拷贝_java 通过零拷贝实现有效数据传输
weixin_39932330的博客
02-12 192
package sendfile;import java.io.File;import java.io.FileInputStream;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.net.SocketAddress;import java.nio.channels.FileChannel;impo...
Java零拷贝原理
silver687的博客
11-25 1014
使用FileChannel的transferTo和transferFrom方法，可以实现文件数据的直接传输到套接字通道，或者从套接字通道直接传输到文件，避免了数据在用户空间的拷贝。直接缓冲区的内存是在Java堆外分配的，这样可以减少垃圾回收的开销，并且可以直接被操作系统访问，减少了从堆内存到直接内存的数据拷贝。Java中的零拷贝（Zero-Copy）是一种优化技术，它允许数据在不同的内存区域之间传输时，不需要经过CPU的介入，从而减少数据拷贝的开销，提高I/O性能。
Java面试23-零拷贝技术的原理
qq_42863863的博客
05-20 311
零拷贝技术的原理
sendfile 零拷贝原理
最新发布
08-19
<think>首先，用户的问题是关于sendfile实现零拷贝的底层原理，具体是操作系统层面。用户引用了几个引用，我需要参考这些内容来构建回答。 关键引用： - 引用[1]：提到sendfile with DMA scatter/gather实现的拷贝，两次数据拷贝都是DMA拷贝，没有CPU参与，是真正的零拷贝。 - 引用[2]：零拷贝技术包括mmap和sendFile，sendFile只有两次上下文切换和两次DMA拷贝，不需要CPU拷贝。 - 引用[3]：在Linux内核中，sendfile()系统调用用于发送文件。 - 引用[4]：描述了传统拷贝的4次拷贝过程，并说明sendfile如何减少到零拷贝。 用户需求：理解sendfile零拷贝技术的工作原理，在操作系统层面。 我的回答结构： 1. **清晰介绍零拷贝概念**：解释什么是零拷贝，为什么它重要。 2. **传统文件传输过程**：对比传统方式，说明有多少次拷贝和上下文切换。 3. **sendfile工作原理**：详细描述sendfile如何工作，包括DMA、内核缓冲区、上下文切换等。 4. **底层原理**：深入到操作系统层面，涉及内核函数、DMA机制。 5. **优势和局限性**：简要说明sendfile的好处和可能的问题。 6. **生成相关问题**：根据系统指令，需要生成相关问题。 系统指令： - 所有行内数学表达式用$...$格式。 - 独立公式用$$...$$格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识。 在回答中，自然地添加引用标识，如[^1]。 由于用户的问题是关于操作系统层面的，我需要确保回答技术准确。参考引用： - 传统拷贝：4次拷贝（两次DMA，两次CPU）。 - sendfile：只有两次DMA拷贝，没有CPU拷贝，两次上下文切换。 sendfile底层原理： - 用户程序调用sendfile()系统调用。 - 内核直接从一个文件描述符（如磁盘文件）读取数据到内核缓冲区。 - 然后直接写入到另一个文件描述符（如网络套接字）。 - 整个过程没有数据从内核空间复制到用户空间，避免了CPU拷贝。 - 使用DMA（Direct Memory Access）直接从设备到内存，不涉及CPU。 在Linux中，sendfile()函数原型：`ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);` - out_fd: 输出文件描述符（通常是socket）。 - in_fd: 输入文件描述符（通常是文件）。 - offset: 文件偏移量。 - count: 要传输的字节数。 DMA作用：DMA控制器直接在内存和设备之间传输数据，不消耗CPU资源。 上下文切换：在传统方式中，有多次上下文切换（用户态到内核态），但sendfile减少到两次。 在回答中，使用中文，确保结构清晰。 生成相关问题：基于主题，如sendfile的优化、应用场景、与其他零拷贝技术比较等。 最终回答结构： 1. 引言：定义零拷贝和sendfile。 2. 传统文件传输过程。 3. sendfile如何实现零拷贝。 4. 底层机制：DMA、内核函数。 5. 优势和局限性。 6. 相关问题。</think>### sendfile 零拷贝技术的工作原理（操作系统层面） sendfile 零拷贝技术是一种高效的文件传输机制，在操作系统层面实现数据直接从磁盘文件到网络套接字的传输，避免了传统方式中数据在用户空间和内核空间之间的多次复制。这显著减少了 CPU 开销和上下文切换次数，提升了 I/O 性能。以下我将从操作系统层面逐步解释其工作原理，确保回答清晰可靠。 #### 1. **零拷贝概念和重要性** - **零拷贝（Zero-copy）** 指的是数据在传输过程中，不需要 CPU 参与数据复制，而是直接通过 DMA（Direct Memory Access）控制器在设备和内存之间传输。这减少了 CPU 占用率和延迟。 - **为什么重要？** 传统文件传输（如网络发送文件）涉及多次数据拷贝和上下文切换，消耗大量 CPU 资源。sendfile 通过内核优化，实现了真正的零拷贝，适用于高吞吐场景如 Kafka、Nginx 等[^2]。 - 关键指标：传统方式有 4 次数据拷贝和 4 次上下文切换；sendfile 减少到 2 次 DMA 拷贝和 2 次上下文切换，且无 CPU 拷贝[^1][^4]。 #### 2. **传统文件传输过程（作为对比）** 在传统方式中，当应用程序从磁盘读取文件并发送到网络时，操作系统需要多次数据复制和上下文切换： - **步骤分解：** 1. 磁盘数据通过 DMA 拷贝到内核缓冲区（DMA 拷贝，不消耗 CPU）。 2. 内核缓冲区数据拷贝到用户空间缓冲区（CPU 拷贝，消耗 CPU）。 3. 用户空间缓冲区数据拷贝到内核的 socket 缓冲区（CPU 拷贝）。 4. socket 缓冲区数据通过 DMA 拷贝到网卡缓冲区（DMA 拷贝）。 - **上下文切换：** 每次用户态和内核态切换时发生，传统方式有 4 次（例如，系统调用 read() 和 write() 各触发两次）。 - **问题：** CPU 拷贝（步骤 2 和 3）成为瓶颈，尤其是在大文件传输时，CPU 利用率高，吞吐量低。数据传输量可表示为累积拷贝次数，例如文件大小 $S$ 时，总拷贝量为 $4S$[^4]。 #### 3. **sendfile 零拷贝的工作原理** sendfile 是 Linux 内核提供的系统调用（自 2.1 版本起），它通过内核直接管理数据传输，避免了用户空间的介入。以下是其操作系统层面的工作流程： - **系统调用入口：** 应用程序调用 `sendfile()` 函数： ```c #include <sys/sendfile.h> ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count); ``` - `out_fd`：输出文件描述符（如网络 socket）。 - `in_fd`：输入文件描述符（如磁盘文件）。 - `offset`：文件起始偏移量。 - `count`：传输字节数[^3][^4]。 - **内核处理流程：** 1. **DMA 从磁盘读取数据：** 内核触发 DMA 控制器，将磁盘文件数据直接加载到内核缓冲区（Page Cache）。这一步是 DMA 拷贝，不涉及 CPU。 2. **内核直接传输到 socket：** 内核将数据从内核缓冲区直接复制到 socket 缓冲区。这里，现代内核（如 Linux 2.4+）使用 **DMA scatter/gather** 机制优化： - scatter/gather 允许 DMA 控制器从多个非连续内存区域收集数据，并直接写入网卡，避免了额外的内存复制。 - 整个过程由内核驱动，数据不经过用户空间。 3. **DMA 发送到网卡：** socket 缓冲区数据通过另一个 DMA 操作传输到网卡缓冲区，准备发送到网络。 **拷贝次数总结：** - 只有 2 次 DMA 拷贝：磁盘 → 内核缓冲区 → 网卡。 - 无 CPU 拷贝：数据始终在内核空间，用户空间不参与[^1][^2]。 - **上下文切换：** 仅发生 2 次： - 第一次：用户态切换到内核态（调用 `sendfile()`）。 - 第二次：内核态完成传输后返回用户态。 这减少了传统方式中的多次切换开销[^2]。 - **数学表示传输效率：** 设文件大小为 $S$，传统方式总拷贝量为 $4S$，而 sendfile 的总拷贝量为 $2S$。传输时间近似为： $$ T_{\text{sendfile}} \propto \frac{2S}{B} $$ 其中 $B$ 是带宽。sendfile 的时间复杂度为 $O(S)$，但常数项更小[^1][^4]。 #### 4. **底层机制：DMA 和内核优化** - **DMA（Direct Memory Access）作用：** DMA 控制器是硬件组件，允许外设（如磁盘、网卡）直接访问内存，不通过 CPU。在 sendfile 中，DMA 负责所有数据传输，CPU 仅负责初始化和控制，资源占用率低[^1][^2]。 - **内核缓冲区管理：** 内核使用 Page Cache 缓存文件数据。sendfile 利用缓存，避免重复读取磁盘。如果数据已在缓存中，传输更快速。 - **splice 机制的扩展：** 在更新内核中，sendfile 可能结合 `splice()` 系统调用，支持管道等更灵活的零拷贝传输，但原理类似[^3]。 - **安全性与局限性：** sendfile 要求输入和输出文件描述符都是内核管理的（如文件或 socket），不支持用户空间缓冲区。如果应用需要修改数据，则无法使用零拷贝。 #### 5. **优势和实际应用** - **优势：** - **高性能：** 减少 CPU 使用率 50% 以上，提升吞吐量，尤其在大文件或高并发场景。 - **低延迟：** 上下文切换少，响应时间短。 - **应用场景：** 广泛用于 Web 服务器（如 Nginx 静态文件发送）、消息队列（Kafka 数据传输）、数据库系统等[^2][^4]。 - **性能对比：** 实测中，sendfile 比传统 read/write 快 2-3 倍，因为避免了用户空间开销[^1]。 #### 总结 sendfile 零拷贝技术通过内核直接管理 DMA 传输，消除了 CPU 拷贝和多余上下文切换，实现了操作系统层面的高效数据传输。其核心是 `sendfile()` 系统调用和 DMA scatter/gather 机制，确保数据从磁盘到网络的无缝流动。尽管它不适用于需要数据修改的场景，但在文件传输和网络 I/O 中，它是提升性能的关键技术[^1][^2][^3][^4]。
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