linux操作系统

零拷贝技术

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很多应用程序在面临客户端请求时，可以等价为如下系统调用，每次系统调用都需要进行线程上下文切换（用户态到内核态的转换）

1. File.read(file, buf, len);
2. Socket.send(socket, buf, len);

在没有任何优化技术使用的背景下，操作系统会为此进行4词数据拷贝和4次上下文切换

4次copy：

1. CPU 负责将数据从磁盘搬运到内核空间的 Page Cache 中；
2. CPU 负责将数据从内核空间的 Socket 缓冲区搬运到的网络中；
3. CPU 负责将数据从内核空间的 Page Cache 搬运到用户空间的缓冲区；

4. CPU 负责将数据从用户空间的缓冲区搬运到内核空间的 Socket 缓冲区中；

   4次上下文切换：

5. read 系统调用时：用户态切换到内核态；

6. read 系统调用完毕：内核态切换回用户态；
7. write 系统调用时：用户态切换到内核态；
8. write 系统调用完毕：内核态切换回用户态；

会有如下问题：

1. CPU 全程负责内存内的数据拷贝还可以接受，因为效率还算可以接受，但是如果要全程负责内存与磁盘、网络的数据拷贝，这将难以接受，因为磁盘、网卡的速度远小于内存，内存又远远小于 CPU；
2. 4 次 copy 太多了，4 次上下文切换也太频繁了；

DMA 参与下的数据四次拷贝

DMA 技术很容易理解，本质上，DMA 技术就是我们在主板上放一块独立的芯片。在进行内存和 I/O 设备的数据传输的时候，我们不再通过 CPU 来控制数据传输，而直接通过 DMA 控制器（DMA Controller，简称 DMAC）。这块芯片，我们可以认为它其实就是一个协处理器（Co-Processor）。
我们用千兆网卡或者硬盘传输大量数据的时候，如果都用 CPU 来搬运的话，肯定忙不过来，所以可以选择 DMAC。而当数据传输很慢的时候，DMAC 可以等数据到齐了，再发送信号，给到 CPU 去处理，而不是让 CPU 在那里忙等待。
在 DMAC 控制数据传输的过程中，我们还是需要 CPU 的进行控制，但是具体数据的拷贝不再由 CPU 来完成。
DMA 代替了 CPU 负责内存与磁盘以及内存与网卡之间的数据搬运，CPU 作为 DMA 的控制者，如下图所示：

但是 DMA 有其局限性，DMA 仅仅能用于设备之间交换数据时进行数据拷贝，但是设备内部的数据拷贝还需要 CPU 进行，例如 CPU 需要负责内核空间数据与用户空间数据之间的拷贝（内存内部的拷贝）

上图中的 read buffer 也就是 page cache，socket buffer 也就是 Socket 缓冲区。 相当于把四次拷贝变成了两次拷贝

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