操作系统基本知识

在讲述零拷贝之前需要先明白操作系统中的几个概念：用户态、内核态、用户空间、内核空间、CPU上下文、DMA

用户空间和内核空间

应用程序需要通过操作系统提供的一些函数才能完成对磁盘、网络的访问，这些操作都是由底层操作系统来完成的。
操作系统为每个进程分配内存时，会分为两个部分：一部分是用户内存空间（用户空间）、另一部分是内核内存空间（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
直白一点说：当进程运行应用程序的代码时，进程只能使用用户空间的这块内存，当应用程序发生系统调用时，进程才可以访问内核空间的这块内存。

用户态和内核态

  • 进程运行于内核空间时，即为内核态
  • 进程运行与用户空间时，即为用户态

    CPU上下文

    CPU上下文：寄存器内容和程序计数器内容
    CPU上下文切换：保存现有的CPU上下文内容，换成其他的CPU上下文

DMA技术

Direct Memory Access，直接内存访问

  1. 在没DMA时

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  1. 在有DMA时

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DMA的出现减少了CPU将数据拷贝到内核态的过程

零拷贝

零拷贝的方式有：

  1. mmap+write
  2. sendfile

  3. sendfile+支持SG-DMA的网卡

    原始方式

    image.png

  4. 4次上下文切换

  5. 4次文件拷贝

    mmap+write方式

    image.png

  6. 3次文件拷贝

  7. 4次上下文切换

    减少了内核态->用户态的文件拷贝

sendfile方式

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  1. 2次上下文切换
  2. 3次拷贝

    sendfile直接从内核态写入socket缓冲区再到网卡

sendfile+支持SG-DMA的网卡

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  1. 2次上下文切换
  2. 2次数据拷贝

    省去了缓冲区->socket缓冲区的赋值

参考资料