剖析linux下的零拷贝技术（zero-copy）

背景

　　大多数的网络服务器是基于server-client模式的。在这当中，下载是一个很常见的功能。此时服务器端需要将主机磁盘上的文件发送到客户端上去。传统的 Linux 操作系统的标准 I/O 接口是基于数据拷贝操作的，即 I/O 操作会导致数据在操作系统内核地址空间的缓冲区和应用程序地址空间定义的缓冲区之间进行传输。那么传统的I/O操作过程是咋样的呢？（下面是具体说明，以read和write为例）

　　在执行read操作时，操作系统首先会检查，文件内容是否缓存在内核缓冲区，如果在内核缓冲区，则不用去磁盘中读取文件，而是直接将内核缓冲区的内容拷贝到用户空间缓冲区中去。如果不是，操作系统则首先将磁盘上的数据拷贝的内核缓冲区（DMA），然后再把内核缓冲区上的内容拷贝到用户缓冲区中。接下来，write系统调用再把用户缓冲区的内容拷贝到网络堆栈相关的内核缓冲区中，最后再往对方的sockfd中些数据。并且在这个过程中还涉及到了四次的上下文切换。
　　那传统的I/O操作会带来什么问题呢？
　　在高速网络中，大量传统的I/O操作导致的数据拷贝工作会占用 CPU 时间片，同时也需要占用额外的内存带宽。使cpu将大多数的时间用于I/O操作上，从而无法处理其他的任务，很大程度上影响了系统的性能，使服务器成为性能瓶颈。而本身我们可以看出：很多数据复制操作并不是真正需要的。所以可以消除一些复制操作以减少开销并提高性能。这就引出了我们今天要介绍的“零拷贝”技术。

概念

　　零拷贝（Zero-copy）技术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。这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。零拷贝技术可以减少数据拷贝和共享总线操作的次数，消除传输数据在存储器之间不必要的中间拷贝次数，从而有效地提高数据传输效率。而且，零拷贝技术减少了用户进程地址空间和内核地址空间之间因为上下文切换而带来的开销。

零拷贝技术的分类

直接 I/O：

　　对于这种数据传输方式来说，应用程序可以直接访问硬件存储，操作系统内核只是辅助数据传输：这类零拷贝技术针对的是操作系统内核并不需要对数据进行直接处理的情况，数据可以在应用程序地址空间的缓冲区和磁盘之间直接进行传输，完全不需要 Linux 操作系统内核提供的页缓存的支持。

数据传输不经过用户进程地址空间

　　在数据传输的过程中，避免数据在操作系统内核地址空间的缓冲区和用户应用程序地址空间的缓冲区之间进行拷贝。有的时候，应用程序在数据进行传输的过程中不需要对数据进行访问，那么，将数据从 Linux 的页缓存拷贝到用户进程的缓冲区中就可以完全避免，传输的数据在页缓存中就可以得到处理。在某些特殊的情况下，这种零拷贝技术可以获得较好的性能。Linux 中提供类