传统读写模式

传统读写模式流程图

  • 第一次数据拷贝: 用户进程发起 read() 系统调用，当前上下文从用户态切换至内核态，DMA(Direct Memory Access) 引擎从文件中读取数据，并存储到内核态缓冲区 (DMA 拷贝)
  • 第二次数据拷贝: 将数据从内核态缓冲区拷贝到用户态缓冲区 (CPU 拷贝)，然后返回给用户进程，拷贝数据时会发生一次上下文切换 (从内核态切换到用户态)
  • 第三次数据拷贝: 用户进程发起 write() 系统调用，当前上下文从用户态切换至内核态，数据从用户态缓冲区被拷贝到 Socket 缓冲区 (CPU 拷贝)
  • 第四次数据拷贝: write() 系统调用结束返回到用户进程，当前上下文从内核态切换至用户态，第四次数据拷贝为异步执行，从 Socket 缓冲区拷贝到网卡 (DMA 拷贝)

transferTo

transferTo() 和 send() 类似，也是一个系统调用，用于在文件之间高效地传输数据。

transferTo 在操作系统层面实现了零拷贝技术，允许将数据直接从一个文件传输到另一个文件，而无需通过用户空间进行中转。

transferTo 流程图

  • 第一次数据拷贝: 用户进程发起 transferTo() 调用，将文件数据拷贝到一个 Read buffer（内核态）中，当前上下文从用户态切换至内核态
  • 第二次数据拷贝: 内核将 Read buffer 中的数据拷贝到 Socket 缓冲区
  • 第三次数据拷贝: 数据从 Socket 缓冲区拷贝到网卡，当前上下文从内核态切换至用户态

相比较于传统的读写模式, transferTo 把上下文的切换次数从 4 次减少到 2 次，同时把数据拷贝的次数从 4 次降低到了 3 次， 虽然已经前进了一大步，但是作为过渡阶段，transferTo 距离零拷贝还有一些距离。

零拷贝

零拷贝是相对于用户态来讲的，数据在用户态不发生任何拷贝。

sendfile + DMA

sendfile() 是作用于两个文件描述符之间的数据拷贝的系统调用，这个拷贝操作是直接在内核中进行的，没有用户态到内核态的数据拷贝和上下文切换带来的开销，所以称为零拷贝技术。

Linux2.4 内核对 sendfile 系统调用做了改进:

sendfile 改进

  • 用户进程发起 sendfile() 系统调用，当前上下文从用户态切换至内核态，DMA 将数据拷贝到内核缓冲区
  • 向 Socket 缓冲区中发送当前数据在内核缓冲区的地址和偏移量两个值
  • 根据 Socket 缓冲区的地址和偏移量，直接将内核缓冲区的数据拷贝到网卡，当前上下文从内核态切换至用户态

零拷贝流程图

相比较于传统的读写模式, sendfile + DMA 把上下文的切换次数从 4 次减少到 2 次，同时把数据拷贝的次数从 4 次降低到了 2 次 (2 次均为 DMA 拷贝)，完全消除了数据从用户态和内核态之间拷贝数据带来的开销。

sendfile + DMA 虽然已经足够高效，但是依然存在两个不足之处:

  • 方案本身需要引入新的硬件支持
  • 输入文件描述符仅支持文件类型

splice

针对 sendfile + DMA 方案存在的不足，Linux 引入了 splice() 系统调用, splice() 不需要硬件支持，能够实现在任意的两个文件描述符时之间传输数据。

splice() 是基于管道缓冲区机制实现的，所以两个参数文件描述符必须有一个是管道设备。在实际开发中，splice() 作为实现零拷贝的首选，因此 sendfile() 的内部实现也替换为了 splice()。

Go 语言中的零拷贝

go1.19 linux/amd64

sendfile

sendfile 的方法原型为 syscall.Sendfile，文件路径为 syscall/syscall_unix.go。

一个简单的使用示例:

splice

splice 的方法原型为 syscall.Splice，文件路径为 syscall/zsyscall_linux_amd64.go。

一个简单的使用示例: