一文读懂零拷贝技术

零拷贝技术 是编写高性能服务器的一个关键技术，在介绍 零拷贝技术 前先说明一下 用户空间 与 内核空间。

用户空间

通俗的说，用户空间 就是运行着用户编写的应用程序的虚拟内存空间。在32位的操作系统中，每个进程都有 4GB 独立的虚拟内存空间，而 0 ~ 3GB 的虚拟内存空间就是用户空间 。

内核空间

内核空间 就是运行着操作系统代码的虚拟内存空间，而 3GB ~ 4GB 的虚拟内存空间就是内核空间。

图 1 展示了 用户空间 与 内核空间 在进程虚拟内存空间所在的位置：

发送文件

为什么要介绍 用户空间 和 内核空间 呢？

我们先来回忆一下，服务端发送一个文件给客户端一般需要进行什么操作。一般来说，服务端发送一个文件给客户端的步骤如下：

• 首先需要调用 read 读取文件的数据到用户空间缓冲区中。
• 然后再调用 write 把缓冲区的数据发送给客户端 Socket。 伪代码如下：

while ((n = read(file, buf, 4069)) > 0) {
    write(sock, buf , n);
}

在上面的过程中，调用了 read 和 write 两个系统调用。read 系统调用是从文件中读取数据到用户空间的缓冲区中，所以调用 read 时需要从内核空间复制数据到用户空间，如图 2 所示：

图2 就是数据的复制过程，首先会从文件中读取数据到内核的 页缓存（page cache），然后再从页缓存中复制到用户空间的缓冲区中。

而当调用 write 系统调用把用户空间缓冲区中的数据发送到客户端 Socket 时，首先会把缓冲区的数据复制到内核的 Socket 缓冲区中，网卡驱动会把 Socket 缓冲区的数据发送出去，如图 3 所示：

从上图可以看出，服务端发送文件给客户端的过程中需要进行两次数据复制，第一次是从内核空间的页缓存复制到用户空间的缓冲区，第二次是从用户空间的缓冲区复制到内核空间的 Socket 缓冲区。

仔细观察我们可以发现，上图中的页缓存其实可以直接复制到 Socket 缓冲区，而不需要复制到用户空间缓冲区的。如图 4 所示：

如上图所示，不需要用户空间作为数据中转的技术叫 零拷贝技术。那么，我们可以通过哪个系统调用来实现上图中的技术呢？答案就是 sendfile，我们来看看 sendfile 系统调用的原型：

#include <sys/sendfile.h>

ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

下面介绍一下 sendfile 各个参数的作用：

• out_fd：数据接收方文件句柄（一般为 Socket 句柄）。
• in_fd：数据提供方文件句柄（一般为文件句柄）。
• offset：如果 offset 不为 NULL，表示从哪里开始发送数据的偏移量。
• count：表示需要发送多少字节的数据。

sendfile 发送数据的过程如图 5 所示：

对比图 5 与 图 3，我们发现使用 sendfile 可以减少一次系统调用，并且减少一次数据拷贝过程。

总结

本文主要通过 sendfile 系统调用来介绍 零拷贝技术，但 零拷贝技术 不单只有 sendfile，如 mmap、splice 和 直接I/O 等都是 零拷贝技术 的实现，有兴趣的可以参考 Linux 官方文档或相关资料。