深入理解mmap0拷貝技術（細細閱讀3張圖帶你理解）

2023-05-30 20:05:22 1

零拷貝說白了，其實就是傳統 IO 的性能實在有點拉胯，所以搞出來一個零拷貝機制提升一下效率。 要了解零拷貝的話，首先得先了解一下傳統 IO 的執行流程，這裡舉個例子，通過傳統的 IO 進行網絡傳輸來傳輸一個文件。

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盡情閱讀，技術進階，詳解mmap原理

一文帶你，徹底了解，零拷貝Zero-Copy技術

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先上一張圖，這張圖就代表了傳統 IO 傳輸文件的流程。

讀取文件的時候，會從用戶態切換為內核態，同時基於 DMA 引擎將磁碟文件拷貝到內核緩衝區。

看到這裡，可能你就已經懵逼了，什麼是用戶態和內核態，什麼是 DMA 拷貝，我用大白話解釋一下： 首先用戶態其實就是 CPU 在執行你的代碼，而內核態呢，其實就是你沒有那個權限去操作硬體，所以只能交給系統去調用，這個時候就是內核態。

舉個例子，你的女朋友需要你修個電腦（醒醒，但凡有一粒花生米也不至於喝成這樣），我換個說法，假如你同班的女同學想讓你修個電腦，但是宿管阿姨不肯放你進女生宿舍，這個時候你就是用戶態，你不能進女生宿舍，所以你只能讓宿管阿姨（內核態）來幫你把電腦取出來。

那什麼是 DMA 拷貝呢，DMA（DirectMemoryAccess，直接內存存取）其實就是因為 CPU 老哥太累了，所以找了個小弟，就是 DMA 替他完成一部分的拷貝工作，這樣 CPU 就能去做其他事情了。

講完了內核態和用戶態還有 DMA 的大概意思，我們接著回到剛才的 IO 流程中，第一步我們將文件從磁碟文件讀到了用戶緩衝區，此時經歷了一次上下文切換和一次拷貝。

由內核態切換為用戶態，基於 CPU 把內核緩衝區的數據拷貝到用戶緩衝區。 調用 socket 的輸出流的 write 方法的話，此時會從用戶態切換到內核態，同時基於 CPU把用戶緩衝區裡的數據拷貝到 socket 緩衝區裡去，接著會有一個異步化的過程，基於 DMA 引擎從 Socket 緩衝區裡把數據拷貝到網絡協議引擎裡發送出去。

當 IO 操作完成之後，又從內核態切換為用戶態。

通過上面的步驟可以發現傳統的 IO 操作執行，有 4 次上下文的切換和 4 次拷貝，是不是很繁瑣。 零拷貝的話，一般有 mmap 和 sendFile 兩種，一個一個來說。

mmap 是一種內存映射技術，mmap 相比於傳統的 IO 來說，其實就是少了 1 次 CPU 拷貝而已，上圖。

傳統 IO 裡面從內核緩衝區到用戶緩衝區有一次 CPU 拷貝，從用戶緩衝區到 Socket 緩衝區又有一次 CPU 拷貝。

mmap 則一步到位，直接基於 CPU 將內核緩衝區的數據拷貝到了 Socket 緩衝區。

之所以能夠減少一次拷貝，就是因為 mmap 直接將磁碟文件數據映射到內核緩衝區，這個映射的過程是基於 DMA 拷貝的，同時用戶緩衝區是跟內核緩衝區共享一塊映射數據的，建立共享映射之後，就不需要從內核緩衝區拷貝到用戶緩衝區了。

雖然減少了一次拷貝，但是上下文切換的次數還是沒變。 RocketMQ 中就是使用的 mmap 來提升磁碟文件的讀寫性能。

在 Linux 中，提供 sendFile 函數，實現了零拷貝，依舊是先上圖。

可以看到在圖中，已經沒有了用戶緩衝區，因為用戶緩衝區是在用戶空間的，所以沒有了用戶緩衝區也就意味著不需要上下文切換了，就省略了這一步的從內核態切換為用戶態。

同時也不需要基於 CPU 將內核緩衝區的數據拷貝到 Socket 緩衝區了，只需要從內核緩衝區拷貝一些 offset 和 length 到 Socket 緩衝區。

接著從內核態切換到用戶態，從內核緩衝區直接把數據拷貝到網絡協議引擎裡去；同時從 Socket 緩衝區裡拷貝一些 offset 和 length 到網絡協議引擎裡去，但是這個 offset 和 length 的量很少，幾乎可以忽略。

sendFile 整個過程只有兩次上下文切換和兩次 DMA 拷貝，很重要的一點是這裡完全不需要 CPU 來進行拷貝了，所以才叫做零拷貝，這裡的拷貝指的就是作業系統的層面。

那你肯定會問，那 mmap 裡面有一次 CPU 拷貝為啥也算零拷貝，只能說那不算是嚴格意義上的零拷貝，但是他確實是優化了普通 IO 的執行流程，就像老婆餅裡也沒有老婆嘛。 Kafka 和 Tomcat 內部使用就是 sendFile 這種零拷貝。

傳統 IO 執行的話需要 4 次上下文切換（用戶態 -> 內核態 -> 用戶態 -> 內核態 -> 用戶態）和 4 次拷貝（磁碟文件 DMA 拷貝到內核緩衝區，內核緩衝區 CPU 拷貝到用戶緩衝區，用戶緩衝區 CPU 拷貝到 Socket 緩衝區，Socket 緩衝區 DMA 拷貝到協議引擎）。

mmap 將磁碟文件映射到內存，支持讀和寫，對內存的操作會反映在磁碟文件上，適合小數據量讀寫，需要 4 次上下文切換（用戶態 -> 內核態 -> 用戶態 -> 內核態 -> 用戶態）和3 次拷貝（磁碟文件DMA拷貝到內核緩衝區，內核緩衝區 CPU 拷貝到 Socket 緩衝區，Socket 緩衝區 DMA 拷貝到協議引擎）。

sendfile 是將讀到內核空間的數據，轉到 socket buffer，進行網絡發送，適合大文件傳輸，只需要 2 次上下文切換（用戶態 -> 內核態 -> 用戶態）和 2 次拷貝（磁碟文件 DMA 拷貝到內核緩衝區，內核緩衝區 DMA 拷貝到協議引擎）。

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