零拷贝是老生常谈的问题啦，大厂非常喜欢问。比如Kafka为什么快，RocketMQ为什么快等，都涉及到零拷贝知识点。最近技术讨论群几个伙伴分享了阿里、虾皮的面试真题，也都涉及到零拷贝。因此本文将跟大家一起来学习零拷贝原理。
1. 什么是零拷贝
2. 传统的IO执行流程
3. 零拷贝相关的知识点回顾
4. 零拷贝实现的几种方式
5. 提供的零拷贝方式
1.什么是零拷贝 零拷贝字面上的意思包括两个，“零”和“拷贝”：
- “拷贝”：就是指数据从一个存储区域转移到另一个存储区域。
- “零” ：表示次数为0，它表示拷贝数据的次数为0。
零拷贝是指计算机执行IO操作时，CPU不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及CPU的拷贝时间。它是一种I/O操作优化技术。2. 传统 IO 的执行流程 做服务端开发的小伙伴，文件下载功能应该实现过不少了吧。如果你实现的是一个web程序，前端请求过来，服务端的任务就是：将服务端主机磁盘中的文件从已连接的socket发出去。关键实现代码如下：
while((n = read(diskfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)
write(sockfd, buf , n);
传统的IO流程，包括read和write的过程。
- read：把数据从磁盘读取到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区
- write：先把数据写入到socket缓冲区，最后写入网卡设备。
文章图片
- 用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用，上下文从用户态转为内核态（切换1）
- DMA控制器把数据从磁盘中，读取到内核缓冲区。
- CPU把内核缓冲区数据，拷贝到用户应用缓冲区，上下文从内核态转为用户态（切换2），read函数返回
- 用户应用进程通过write函数，发起IO调用，上下文从用户态转为内核态（切换3）
- CPU将用户缓冲区中的数据，拷贝到socket缓冲区
- DMA控制器把数据从socket缓冲区，拷贝到网卡设备，上下文从内核态切换回用户态（切换4），write函数返回
【文章福利】另外小编还整理了一些C++后端开发面试题，教学视频，后端学习路线图免费分享，需要的可以自行添加：学习交流群点击加入~ 群文件共享
小编强力推荐C++后端开发免费学习地址：C/C++Linux服务器开发高级架构师/C++后台开发架构师?
文章图片
https://ke.qq.com/course/417774?flowToken=1013189
文章图片
3. 零拷贝相关的知识点回顾
3.1 内核空间和用户空间
我们电脑上跑着的应用程序，其实是需要经过操作系统，才能做一些特殊操作，如磁盘文件读写、内存的读写等等。因为这些都是比较危险的操作，不可以由应用程序乱来，只能交给底层操作系统来。
因此，操作系统为每个进程都分配了内存空间，一部分是用户空间，一部分是内核空间。内核空间是操作系统内核访问的区域，是受保护的内存空间，而用户空间是用户应用程序访问的内存区域。 以32位操作系统为例，它会为每一个进程都分配了4G(2的32次方)的内存空间。
- 内核空间：主要提供进程调度、内存分配、连接硬件资源等功能
- 用户空间：提供给各个程序进程的空间，它不具有访问内核空间资源的权限，如果应用程序需要使用到内核空间的资源，则需要通过系统调用来完成。进程从用户空间切换到内核空间，完成相关操作后，再从内核空间切换回用户空间。
- 如果进程运行于内核空间，被称为进程的内核态
- 如果进程运行于用户空间，被称为进程的用户态。
- 什么是CPU上下文？
CPU 寄存器，是CPU内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此叫做CPU上下文。
- 什么是CPU上下文切换？
它是指，先把前一个任务的CPU上下文（也就是CPU寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。一般我们说的上下文切换，就是指内核（操作系统的核心）在CPU上对进程或者线程进行切换。进程从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。系统调用的过程，会发生CPU上下文的切换。
CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。
文章图片
3.4 虚拟内存
现代操作系统使用虚拟内存，即虚拟地址取代物理地址，使用虚拟内存可以有2个好处：
- 虚拟内存空间可以远远大于物理内存空间
- 多个虚拟内存可以指向同一个物理地址
文章图片
3.5 DMA技术
DMA，英文全称是Direct Memory Access，即直接内存访问。DMA本质上是一块主板上独立的芯片，允许外设设备和内存存储器之间直接进行IO数据传输，其过程不需要CPU的参与。
我们一起来看下IO流程，DMA帮忙做了什么事情.
文章图片
【C++后台开发|7 张图，轻松掌握零拷贝原理】
- 用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用，进入阻塞状态，等待数据返回。
- CPU收到指令后，对DMA控制器发起指令调度。
- DMA收到IO请求后，将请求发送给磁盘；
- 磁盘将数据放入磁盘控制缓冲区，并通知DMA
- DMA将数据从磁盘控制器缓冲区拷贝到内核缓冲区。
- DMA向CPU发出数据读完的信号，把工作交换给CPU，由CPU负责将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。
- 用户应用进程由内核态切换回用户态，解除阻塞状态
主要就是效率，它帮忙CPU做事情，这时候，CPU就可以闲下来去做别的事情，提高了CPU的利用效率。大白话解释就是，CPU老哥太忙太累啦，所以他找了个小弟（名叫DMA） ，替他完成一部分的拷贝工作，这样CPU老哥就能着手去做其他事情。4. 零拷贝实现的几种方式 零拷贝并不是没有拷贝数据，而是减少用户态/内核态的切换次数以及CPU拷贝的次数。零拷贝实现有多种方式，分别是
- mmap+write
- sendfile
- 带有DMA收集拷贝功能的sendfile
mmap 的函数原型如下：
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
- addr：指定映射的虚拟内存地址
- length：映射的长度
- prot：映射内存的保护模式
- flags：指定映射的类型
- fd:进行映射的文件句柄
- offset:文件偏移量
mmap+write实现的零拷贝流程如下：
文章图片
- 用户进程通过mmap方法向操作系统内核发起IO调用，上下文从用户态切换为内核态。
- CPU利用DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
- 上下文从内核态切换回用户态，mmap方法返回。
- 用户进程通过write方法向操作系统内核发起IO调用，上下文从用户态切换为内核态。
- CPU将内核缓冲区的数据拷贝到的socket缓冲区。
- CPU利用DMA控制器，把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，上下文从内核态切换回用户态，write调用返回。
mmap是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射，内核缓冲区和应用缓冲区共享，所以节省了一次CPU拷贝‘’并且用户进程内存是虚拟的，只是映射到内核的读缓冲区，可以节省一半的内存空间。
4.2 sendfile实现的零拷贝
sendfile是Linux2.1内核版本后引入的一个系统调用函数，API如下：
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
- out_fd:为待写入内容的文件描述符，一个socket描述符。，
- in_fd:为待读出内容的文件描述符，必须是真实的文件，不能是socket和管道。
- offset：指定从读入文件的哪个位置开始读，如果为NULL，表示文件的默认起始位置。
- count：指定在fdout和fdin之间传输的字节数。
sendfile实现的零拷贝流程如下：
文章图片
?sendfile实现的零拷贝
- 用户进程发起sendfile系统调用，上下文（切换1）从用户态转向内核态
- DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
- CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
- DMA控制器，异步把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，
- 上下文（切换2）从内核态切换回用户态，sendfile调用返回。
4.3 sendfile+DMA scatter/gather实现的零拷贝
linux 2.4版本之后，对sendfile做了优化升级，引入SG-DMA技术，其实就是对DMA拷贝加入了scatter/gather操作，它可以直接从内核空间缓冲区中将数据读取到网卡。使用这个特点搞零拷贝，即还可以多省去一次CPU拷贝。
sendfile+DMA scatter/gather实现的零拷贝流程如下：
文章图片
- 用户进程发起sendfile系统调用，上下文（切换1）从用户态转向内核态
- DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
- CPU把内核缓冲区中的文件描述符信息（包括内核缓冲区的内存地址和偏移量）发送到socket缓冲区
- DMA控制器根据文件描述符信息，直接把数据从内核缓冲区拷贝到网卡
- 上下文（切换2）从内核态切换回用户态，sendfile调用返回。
5. java提供的零拷贝方式
- Java NIO对mmap的支持
- Java NIO对sendfile的支持
Java NIO有一个MappedByteBuffer的类，可以用来实现内存映射。它的底层是调用了Linux内核的mmap的API。
mmap的小demo如下：
public class MmapTest {public static void main(String[] args) {
try {
FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./jay.txt"), StandardOpenOption.READ);
MappedByteBuffer data = https://www.it610.com/article/readChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, 1024 * 1024 * 40);
FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./siting.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
//数据传输
writeChannel.write(data);
readChannel.close();
writeChannel.close();
}catch (Exception e){
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}
5.2 Java NIO对sendfile的支持
FileChannel的transferTo()/transferFrom()，底层就是sendfile() 系统调用函数。Kafka 这个开源项目就用到它，平时面试的时候，回答面试官为什么这么快，就可以提到零拷贝sendfile这个点。
@Override
public long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException {
return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
}sendfile的小demo如下：
public class SendFileTest {
public static void main(String[] args) {
try {
FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./jay.txt"), StandardOpenOption.READ);
long len = readChannel.size();
long position = readChannel.position();
FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./siting.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
//数据传输
readChannel.transferTo(position, len, writeChannel);
readChannel.close();
writeChannel.close();
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}参考资料
文章图片
?推荐一个零声教育C/C++后台开发的免费公开课程，个人觉得老师讲得不错，分享给大家：C/C++后台开发高级架构师，内容包括Linux，Nginx，ZeroMQ，MySQL，Redis，fastdfs，MongoDB，ZK，流媒体，CDN，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，协程，DPDK等技术内容，立即学习
原文：7 张图，轻松掌握零拷贝原理
推荐阅读
- C++后台开发|深入理解 Linux 的 TCP 三次握手
- postgresql|一小时搭建属于属于自己的博客系统网站
- 数据库|微信小程序·云开发 云数据库的使用教程
- 微信小程序|微信小程序-如何获取云数据库某集合数据并显示在页面
- linux|如何进行mysql下的严格模式修改，使得使用插入用户表方式添加新用户成功
- 网络安全|mysql中的视图、触发器和存储过程
- 函数|sql中的substr与substring函数用法
- 数据库|面试官（MySQL 为什么用 B+ 树实现索引）
- MySQL|MySQL为什么会选择B+树索引（）