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linux内核系统调用--sendfile函数

Posted on 2014-06-08 11:08 fengyv 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

在apache,nginx,lighttpd等web服务器当中,都有一项sendfile相关的配置,在一些网上的资料都有谈到sendfile会提升文件传输性能,那sendfile到底是什么呢?它的原理又是如何呢?

在传统的文件传输里面(read/write方式),在实现上其实是比较复杂的,需要经过多次上下文的切换,我们看一下如下两行代码:

Java代码 
  1. read(file, tmp_buf, len);      
  2.        write(socket, tmp_buf, len);      

    
        以上两行代码是传统的read/write方式进行文件到socket的传输。

当需要对一个文件进行传输的时候,其具体流程细节如下:
1、调用read函数,文件数据被copy到内核缓冲区
2、read函数返回,文件数据从内核缓冲区copy到用户缓冲区
3、write函数调用,将文件数据从用户缓冲区copy到内核与socket相关的缓冲区。
4、数据从socket缓冲区copy到相关协议引擎。

一般来说一个网络应用是通过读硬盘数据,然后写数据到 socket 来完成网络传输的。上面2行用代码解释了这一点,不过上面2行简单的代码掩盖了底层的很多操作。来看看底层是怎么执行上面2行代码的:

1、系统调用 read() 产生一个上下文切换:从 user mode 切换到 kernel mode,然后 DMA 执行拷贝,把文件数据从硬盘读到一个 kernel buffer 里。
2、数据从 kernel buffer 拷贝到 user buffer,然后系统调用 read() 返回,这时又产生一个上下文切换:从kernel mode 切换到 user mode。
3、系统调用 write() 产生一个上下文切换:从 user mode 切换到 kernel mode,然后把步骤2读到 user buffer 的数据拷贝到 kernel buffer(数据第2次拷贝到 kernel buffer),不过这次是个不同的 kernel buffer,这个 buffer 和 socket 相关联。
4、系统调用 write() 返回,产生一个上下文切换:从 kernel mode 切换到 user mode(第4次切换了),然后 DMA 从 kernel buffer 拷贝数据到协议栈(第4次拷贝了)。

上面4个步骤有4次上下文切换,有4次拷贝,我们发现如果能减少切换次数和拷贝次数将会有效提升性能。在kernel 2.0+ 版本中,系统调用 sendfile() 就是用来简化上面步骤提升性能的。sendfile() 不但能减少切换次数而且还能减少拷贝次数。

 

以上细节是传统read/write方式进行网络文件传输的方式,我们可以看到,在这个过程当中,文件数据实际上是经过了四次copy操作:


硬盘—>内核buf—>用户buf—>socket相关缓冲区—>协议引擎

而sendfile系统调用则提供了一种减少以上多次copy,提升文件传输性能的方法。Sendfile系统调用是在2.1版本内核时引进的:

Java代码 
  1. sendfile(socket, file, len);  


运行流程如下:
1、sendfile系统调用,文件数据被copy至内核缓冲区
2、再从内核缓冲区copy至内核中socket相关的缓冲区
3、最后再socket相关的缓冲区copy到协议引擎

相较传统read/write方式,2.1版本内核引进的sendfile已经减少了内核缓冲区到user缓冲区,再由user缓冲区到socket相关 缓冲区的文件copy,而在内核版本2.4之后,文件描述符结果被改变,sendfile实现了更简单的方式,系统调用方式仍然一样,细节与2.1版本的 不同之处在于,当文件数据被复制到内核缓冲区时,不再将所有数据copy到socket相关的缓冲区,而是仅仅将记录数据位置和长度相关的数据保存到 socket相关的缓存,而实际数据将由DMA模块直接发送到协议引擎,再次减少了一次copy操作。