零拷贝sendfile解析

传统方式read/write send/recv

在传统的文件传输里面（read/write方式），在实现上事实上是比較复杂的，须要经过多次上下文的切换。我们看一下例如以下两行代码：   

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。

当须要对一个文件进行传输的时候，其详细流程细节例如以下：

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。

以上细节是传统read/write方式进行网络文件传输的方式，我们能够看到，在这个过程其中。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(内核)—>协议引擎

新方式sendfile

而sendfile系统调用则提供了一种降低以上多次copy。提升文件传输性能的方法。

Sendfile系统调用是在2.1版本号内核时引进的：

1. sendfile(socket, file, len);   

执行流程例如以下：

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版本号内核引进的sendfile已经降低了内核缓冲区到user缓冲区。再由user缓冲区到socket相关 缓冲区的文件copy，而在内核版本号2.4之后，文件描写叙述符结果被改变，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版本号的 不同之处在于，当文件数据被拷贝到内核缓冲区时，不再将全部数据copy到socket相关的缓冲区，而是只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，再次降低了一次copy操作。

 

一、典型IO调用的问题
一个典型的web服务器传送静态文件（如CSS，JS，图片等）的过程如下：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

首先调用read将文件从磁盘读取到tmp_buf，然后调用write将tmp_buf写入到socket，在这过程中会出现四次数据copy，过程如图1所示

　　　　　　　　　　　　　　　　图1

 

1。当调用read系统调用时，通过DMA（Direct Memory Access）将数据copy到内核模式
2。然后由CPU控制将内核模式数据copy到用户模式下的 buffer中
3。read调用完成后，write调用首先将用户模式下 buffer中的数据copy到内核模式下的socket buffer中
4。最后通过DMA copy将内核模式下的socket buffer中的数据copy到网卡设备中传送。

从上面的过程可以看出，数据白白从内核模式到用户模式走了一 圈，浪费了两次copy，而这两次copy都是CPU copy，即占用CPU资源。

 

二、Zero-Copy&Sendfile()
Linux 2.1版本内核引入了sendfile函数，用于将文件通过socket传送。
sendfile(socket, file, len);
该函数通过一次系统调用完成了文件的传送，减少了原来 read/write方式的模式切换。此外更是减少了数据的copy，sendfile的详细过程图2所示：

　　　　　　　　　　　　　　　　图2

通过sendfile传送文件只需要一次系统调用，当调用 sendfile时：
1。首先通过DMA copy将数据从磁盘读取到kernel buffer中
2。然后通过CPU copy将数据从kernel buffer copy到sokcet buffer中
3。最终通过DMA copy将socket buffer中数据copy到网卡buffer中发送
sendfile与read/write方式相比，少了 一次模式切换一次CPU copy。但是从上述过程中也可以发现从kernel buffer中将数据copy到socket buffer是没必要的。

为此，Linux2.4内核对sendfile做了改进，如图3所示

　　　　　　　　　　　　　　　　图3

改进后的处理过程如下：
1。DMA copy将磁盘数据copy到kernel buffer中
2。向socket buffer中追加当前要发送的数据在kernel buffer中的位置和偏移量
3。DMA gather copy根据socket buffer中的位置和偏移量直接将kernel buffer中的数据copy到网卡上。
经过上述过程，数据只经过了2次copy就从磁盘传送出去了。
（可能有人要纠结“不是说Zero－Copy么？怎么还有两次copy啊”，事实上这个Zero copy是针对内核来讲的，数据在内核模式下是Zero－copy的。话说回来，文件本身在瓷盘上要真是完全Zero－copy就能传送，那才见鬼了 呢）。
当前许多高性能http server都引入了sendfile机制，如nginx，lighttpd等。

三、Java NIO中的transferTo()
Java NIO中
FileChannel.transferTo(long position, long count, WriteableByteChannel target)
方法将当前通道中的数据传送到目标通道target中，在支持Zero-Copy的linux系统中，transferTo()的实现依赖于sendfile()调用。

 

四、参考文档
《Zero Copy I: User-Mode Perspective》http://www.linuxjournal.com/article/6345?page=0,0
《Efficient data transfer through zero copy》http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/j-zerocopy
《The C10K problem》http://www.kegel.com/c10k.html