决战圣地玛丽乔亚Day11---零拷贝

首先弄懂传统的I/O操作的过程：

首先，期间共发生了 4 次用户态与内核态的上下文切换，因为发生了两次系统调用，一次是 read() ，一次是 write()，每次系统调用都得先从用户态切换到内核态，等内核完成任务后，再从内核态切换回用户态。

上下文切换到成本并不小，一次切换需要耗时几十纳秒到几微秒，虽然时间看上去很短，但是在高并发的场景下，这类时间容易被累积和放大，从而影响系统的性能。

其次，还发生了 4 次数据拷贝，其中两次是 DMA 的拷贝，另外两次则是通过 CPU 拷贝的，下面说一下这个过程：

• 第一次拷贝，把磁盘上的数据拷贝到操作系统内核的缓冲区里，这个拷贝的过程是通过 DMA 搬运的。
• 第二次拷贝，把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，于是我们应用程序就可以使用这部分数据了，这个拷贝到过程是由 CPU 完成的。
• 第三次拷贝，把刚才拷贝到用户的缓冲区里的数据，再拷贝到内核的 socket 的缓冲区里，这个过程依然还是由 CPU 搬运的。
• 第四次拷贝，把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程又是由 DMA 搬运的。

什么是DMA？

没有使用DMA之前，文件的IO操作，CPU需要发信号给磁盘控制器，让磁盘控制器准备数据。磁盘控制器准备好数据（把数据放入内核缓冲区）后，发中断信号给CPU，让CPU停下手头的工作进行IO。

然后把内存缓冲区的数据拷贝给用户缓冲区。这其中包含了四次上下文切换成本，因为切换之后还要切换回来所以是四次。

 使用DMA之后，CPU不再参与数据搬运的工作，让DMA控制器去直接访问内存,把最占用时间的数据搬运的工作交给了DMA控制器来完成。

 什么是虚拟内存？

了解零拷贝之前的重要知识就是虚拟内存技术。

各种内存策略都是在保证多进程在内存中的调用，如果要把所有的作业都放入内存才运行，那么会造成空间浪费和无法完全装下的问题。

所以利用局部性原理（时间局部性，空间局部性） ： 存储单元被调用，临近的单元也很快会被调用。一个命令执行一次就可以会再次执行。

所以基于局部性原理，可以把用到的装入内存，暂时不用的留在外存。运行的时候用到再从外存调用进来，这样从用户来看好像空间确实大了很多。

利用以上特性，我们可以把内核和用户的虚拟地址映射到同一个物理地址，就可以减少切换次数了

mmap/write是什么?

内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区是read()函数做的事情

内核缓冲区的数据直接映射到用户缓冲区是mmap()函数做的事情

说白了就是内核缓冲区和用户缓冲区进行共享，这样在write的时候都发生在内核，减少了一次拷贝的操作。拷贝还是要拷贝，只不过是不需要用户缓冲区这个中间人了。

系统调用还是两次，一个mmap一个write。切换还是四次。少了一次CPU copy但是还是需要wirte

• 应用进程调用了 mmap() 后，DMA 会把磁盘的数据拷贝到内核的缓冲区里。接着，应用进程跟操作系统内核「共享」这个缓冲区；
• 应用进程再调用 write()，操作系统直接将内核缓冲区的数据拷贝到 socket 缓冲区中，这一切都发生在内核态，由 CPU 来搬运数据；
• 最后，把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程是由 DMA 搬运的。