操作系统面试题九

零拷贝

假如需要进行文件传输，使用传统I/O，数据读取和写入是用户空间到内核空间来回赋值，而内核空间的数据是通过操作系统的I/O接口从磁盘读取或者写入，这期间发生了多次用户态和内核态的上下文切换，以及多次数据拷贝。

为了提高I/O性能，就需要减少用户态和内核态的上下文切换和内存拷贝的次数，

零拷贝技术主要有

• mmap+write

  mmap()系统调用函数会直接把内核缓冲区中的数据映射到用户空间，这样操作系统内核和用户空间就不需要进行任何的数据拷贝操作。

• sendfile

  在linux内核2.1版本中，提供一个专门发送文件的系统调用函数sendfile（）。

  它可以替代前⾯的 read() 和 write() 这两个系统调⽤，这样就可以减少⼀次系统调⽤，也就减少了 2 次上下⽂切换的开销。

  其次，该系统调⽤，可以直接把内核缓冲区⾥的数据拷⻉到 socket 缓冲区⾥，不再拷⻉到⽤户态，这样就只有 2 次上下⽂切换，和 3 次数据拷⻉。

I/O多路复用

使用一个进程或者线程维护Socket，这个多路复用就是多个连接复用一个进程/线程。

I/O多路复用实现机制：

• select

  实现多路复用的方式是：

  将已连接的Socket都放到一个文件描述符集合fd_set，然后调用select函数将fd_set集合拷贝到内核中，让内核检查是否有网络事件发生，检查的方式是通过遍历fd_set，当检查到有事件产生后，将此socket标记为可读或可写，接着再把整个fd_Set拷贝回用户态里。然后用户态需要通过遍历找到可读或可写的Socket，对其进行处理。

  select使用固定长度的bitMap，表示文件描述集合，而且所支持的文件描述符的个数是有限制的，在Linux 系统中，由内核中的 FD_SETSIZE 限制， 默认最⼤值为 1024 ，只能监听 0~1023 的⽂件描述符。

  select机制的缺点：

  • 每次调用select，都需要把fd_set集合从用户态拷贝到内核态，如果fd_Set集合很大，这个开销也很大。如果百万连接却只有少数活跃连接时这样做就太没有效率。
  • 每次调用select都需要在内核中遍历传递进来的fd_Set，如果fd_set集合很大，开销也很大。
  • 为了减少数据拷贝带来的性能损坏，内核对被监控的fd_set集合大小做了限制，一般为1024，如果想要修改会比较麻烦，可能还需要编译内核。
  • 每次调用select之前都需要遍历监听集合，重复工作。

poll

poll不在使用bitmap来存储所关注的文件描述符，取而代之为动态数组，以链表形式组织，突破select文件描述符的限制，但会受到系统描述符限制。

poll和select没有很大区别，都是使用线性结构存储关注的socket集合，因此都需要遍历文件描述符集合来找到可读或可写的socket，时间复杂度为O(n)，而且需要在内核态和用户态之间拷贝文件描述符集合，随着并发数上升，性能损耗呈指数级上升。

epoll

epoll通过两方面解决poll/select的问题。

第一点：epoll在内核中使用红黑树来跟踪进程所有待检测的文件描述符，把需要监控的socket通过epoll_ctl() 函数加⼊内核中的红⿊树⾥，红⿊树是个⾼效的数据结构，增删查⼀般时间复杂度是O(logn) ，通过对这棵⿊红树进⾏操作，不需要每次操作时都传入整个socket集合，只需要传入一个待检测的socket，减少内核和用户空间大量数据拷贝和内存分配。

第二点：epoll使用事件驱动的机制，内核里**维护了一个链表记录就绪事件，**当某个 socket 有事件发⽣时，通过回调函数，内核会将其加⼊到这个就绪事件列表中，当⽤户调⽤ epoll_wait() 函数时，只会返回有事件发⽣的⽂件描述符的个数，不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个 socket 集合，⼤⼤提⾼了检测的效率。

epoll 的⽅式即使监听的 Socket 数量越多的时候，效率不会⼤幅度降低，能够同时监听的 Socket 的数⽬也⾮常的多了，上限就为系统定义的进程打开的最⼤⽂件描述符个数。因⽽，epoll 被称为解决 C10K 问题的利器。