文章目錄

• 傳統文件傳輸的問題
• Linux中實現零拷貝的方法

---

傳統文件傳輸的問題

在網絡編程中，如果我們想要提供文件傳輸的功能，最簡單的方法就是用read將數據從磁盤上的文件中讀取出來，再將其用write寫入到socket中，通過網絡協議發送給客戶端。

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

但是就是這兩個簡單的操作，卻帶來了大量的性能丟失

例如我們的服務器需要為客戶端提供一個下載操作，此時的操作如下

從上圖可以看出，雖然僅僅只有這兩行代碼，但是卻在發生了四次用戶態和內核態的上下文切換，以及四次數據拷貝，也就是在這個地方產生了大量不必要的損耗。

那么為什么會發生這些操作呢？

上下文切換

由于read和recv是系統調用，所以每次調用該函數我們都需要從用戶態切換至內核態，等待內核完成任務后再從內核態切換回用戶態。

數據拷貝
上面也說了，由于數據的讀取與寫入都是由系統進行的，那么我們就得將數據從用戶的緩沖區中拷貝到內核，

• 第一次拷貝：將磁盤中的數據拷貝到內核的緩沖區中
• 第二次拷貝：內核將數據處理完，接著拷貝到用戶緩沖區中
• 第三次拷貝：此時需要通過socket將數據發送出去，將用戶緩沖區中的數據拷貝至內核中socket的緩沖區中
• 第四次拷貝：把內核中socket緩沖區的數據拷貝到網卡的緩沖區中，通過網卡將數據發送出去。

所以要想優化傳輸性能，就要從減少數據拷貝和用戶態內核態的上下文切換下手，這也就是零拷貝技術的由來。

什么是零拷貝呢？
零拷貝的主要任務就是避免CPU將數據從一塊存儲中拷貝到另一塊存儲，主要就是利用各種技術，避免讓CPU做大量的數據拷貝任務，以此減少不必要的拷貝。或者借助其他的一些組件來完成簡單的數據傳輸任務，讓CPU解脫出來專注別的任務，使得系統資源的利用更加有效

Linux中實現零拷貝的方法

Linux中實現零拷貝的方法主要有以下幾種，下面一一對其進行介紹

sendfile

mmap

splice

tee

sendfile
sendfile函數的作用是直接在兩個文件描述符之間傳遞數據。由于整個操作完全在內核中（直接從內核緩沖區拷貝到socket緩沖區），從而避免了內核緩沖區和用戶緩沖區之間的數據拷貝。

需要注意的是，in_fd必須是一個支持類似mmap函數的文件描述符，不能是socket或者管道，而out_fd必須是一個socket，由此可見sendfile是專門為了在網絡上傳輸文件而實現的函數。

#include <sys/sendfile.h> ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

參數：
out_fd : 待寫入內容的文件描述符
in_fd : 待讀出內容的文件描述符
offset : 文件的偏移量
count : 需要傳輸的字節數

返回值：
成功：返回傳輸的字節數
失敗：返回-1并設置errno

---

mmap
mmap用于申請一段內存空間，也就是我們在進程間通信中提到過的共享內存，通過將內核緩沖區的數據映射到用戶空間中，兩者通過共享緩沖區直接訪問統一資源，此時內核與用戶空間就不需要再進行任何的數據拷貝操作了

其中mmap用于申請空間，額munmap用于釋放這段空間。

#include <sys/mman.h> void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset); int munmap(void *addr, size_t length);

參數：
addr : 內存的起始地址，如果設置為空則系統會自動分配
length : 指定內存段的長度
prot : 內存段的訪問權限，通過按位與或可以取以下幾種值

flag : 選項
fd : 被映射文件對應的文件描述符
offset : 文件的偏移量
返回值：
成功：成功時返回指向內存區域的指針
失敗：返回MAP_FAILED并設置errno

---

splice
splice函數用于在兩個文件描述符之間移動數據，而不需要數據在內核空間和用戶空間中來回拷貝

需要注意的是，使用splice函數時fd_in和fd_out至少有一個是管道文件描述符，即

#include <fcntl.h> ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out,loff_t *off_out, size_t len, unsigned int flags);

參數：
out_fd : 待寫入內容的文件描述符
off_out : 待寫入文件描述符的偏移量，如果文件描述符為管道則必須為空
in_fd : 待讀出內容的文件描述符
off_in : 待讀出文件描述符的偏移量，如果文件描述符為管道則必須為空
len : 需要復制的字節數
flags : 選項

返回值：
成功：返回在兩個文件描述符之間復制的字節數
沒有數據：返回0
失敗：返回-1并設置errno
可能產生的errno

---

tee
tee函數用于在兩個管道文件描述符之間復制數據，并且它是直接復制，不會將數據讀出，所以源文件上的數據仍可以用于后面的讀操作

#include <fcntl.h> ssize_t tee(int fd_in, int fd_out, size_t len, unsigned int flags);

參數：
out_fd : 待寫入內容的文件描述符
in_fd : 待讀出內容的文件描述符
len : 需要復制的字節數
flags : 選項

返回值：
成功：返回在兩個文件描述符之間復制的字節數
沒有數據：返回0
失敗：返回-1并設置errno

---

超強干貨來襲 云風專訪：近40年碼齡，通宵達旦的技術人生

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux网络编程 | 零拷贝 ：sendfile、mmap、splice、tee的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。