网络系统之零拷贝

1.DMA技术

为什么要有 DMA 技术?

在没有DMA技术前，I/O的过程是这样的：

CPU发出对应的指令给磁盘控制器，然后返回;

磁盘控制器收到指令后，于是就开始准备数据，会把数据放入到磁盘控制器的内部缓冲区内，然后产生一个中断;

CPU收到中断信号后，停下手头的工作，接着把磁盘控制器的缓冲区的数据一次一个字节地进自己的寄存器，然后把寄存器里的数据写入到内存，而在数据传输的期间CPU是无法执行其他任务的，如下图所示：

可以看到：整个数据的传输过程，都要需要CPU亲自参与搬运数据的过程，而且这个过程，CPU是不能做其他事情的。简单的搬运几个字符数据那没问题，但如果我们用千兆网卡或硬盘传输大量数据的时候，都用CPU来搬运的话，肯定忙不过来。 于是就有DMA技术也就是在直接内存访问技术。

如下图DMA控制器进行数据传输的过程                                                                                              具体流程：

1.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内存缓冲区中，进程进入阻塞状态;
2.操作系统收到请求后，进一步将I/O请求发送DMA，然后让CPU执行其他任务

3.DMA进一步将I/O请求发送给磁盘

4.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

5.DMA收到磁盘的信号，jiangvipan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

6.当DMA读取了足够多的数据，就会发送中断信号给CPU

7.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

可以看到，CPU不再参与 将数据从磁盘控制器缓冲区搬运到内核空间的工作，这部分工作全程由DMA完成。但是CPU在这个过程也是必不可少的，因为传输什么数据，从哪里传输到哪里，都需要CPU来告诉DMA控制器。

早起DMA只存在在主板中，如今有意I/O设备越来越多，数据传输的需求也不尽相同，所以每个I/O设备里面都有自己的DMA控制器   

2.如何实现零拷贝      

1. ‌mmap + write‌

• ‌原理‌：利用内存映射（mmap）将内核缓冲区与用户空间映射到同一物理内存，省去一次拷贝。
• ‌流程‌：
  • 磁盘 → 内核缓冲区（DMA）；
  • 用户进程通过mmap直接操作内核缓冲区；
  • 内核缓冲区 → Socket缓冲区（CPU拷贝）；
  • Socket缓冲区 → 网卡（DMA）‌。
• ‌优化效果‌：减少1次CPU拷贝（共3次拷贝）‌。

2. ‌sendfile系统调用‌

• ‌原理‌：通过sendfile系统调用直接在内核中完成数据传输，无需用户空间参与。
• ‌流程‌：
  • 磁盘 → 内核缓冲区（DMA）；
  • 内核缓冲区 → Socket缓冲区（CPU拷贝）；
  • Socket缓冲区 → 网卡（DMA）‌。
• ‌优化效果‌：减少2次上下文切换 + 1次CPU拷贝（共2次拷贝）‌。

3. ‌支持DMA的sendfile（SG-DMA）‌

• ‌原理‌：借助DMA引擎的“分散-收集”功能，直接从内核缓冲区传输到网卡。
• ‌流程‌：
  • 磁盘 → 内核缓冲区（DMA）；
  • 内核缓冲区 → 网卡（DMA）‌。
• ‌优化效果‌：完全消除CPU拷贝（仅2次DMA拷贝）‌