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前言
零拷贝(Zero-Copy)是一种计算机文件传输或网络传输的优化技术,
用于最小化在操作过程中的CPU拷贝操作,
降低上下文切换和CPU的占用,同时也可以减少不必要的内存使用。
在没有零拷贝的情况下,数据通常在内核空间与用户空间或者不同的内存区域之间复制多次。
提示:以下是一般在不同上下文中数据传输的步骤,我们对比一下常规拷贝与零拷贝:
概述
常规拷贝(例如,文件从磁盘读取然后通过网络发送):
1、操作系统从磁盘读取数据到内核空间的缓冲区。
2、应用程序从内核缓冲区读取数据到用户空间的缓冲区。
3、应用程序写数据到内核空间的另一个缓冲区,这个缓冲区是为了网络发送准备的。
4、数据从内核的网络缓冲区被复制到实际的网卡缓冲区,用于发送到网络上。
零拷贝(Zero-Copy)模型:
1、应用程序发出读取文件的请求。
2、内核将文件数据从磁盘读取到内核空间的缓冲区。
3、使用特定的零拷贝API(如Linux中的sendfile()),内核直接将数据从文件系统缓冲区传输到网卡缓冲区,无需将数据复制到用户空间。
4、网卡从内核缓冲区直接读取数据并发送到网络上。
零拷贝技术可以显著减少CPU的复制操作次数,同时降低内存带宽的使用,提高大文件传输的性能。这对高吞吐量的网络服务器或者文件系统特别重要。
为了实现零拷贝,操作系统通常提供特定的系统调用或API,比如在Java NIO中,FileChannel的transferTo()和transferFrom()方法就能用于在通道之间高效地传输数据,其背后利用了操作系统底层的零拷贝支持。真正实现零拷贝还需要硬件、操作系统及其文件系统的支持。
提示:是不是还是不理解
概述——二次分析
在零拷贝模型中,数据不需要在用户态和内核态之间来回拷贝,大大降低了CPU和内存的使用,减少了系统的性能开销。
概述——三次分析
- 文件数据从磁盘文件系统被读入到内核空间缓冲区。
- 之后,内核空间中的数据被拷贝到用户态缓冲区。
- 然后,数据再从用户态缓冲区被拷贝回内核空间,用于准备传输。
- 最终,数据从内核空间缓冲区被拷贝到网络接口的缓冲区,并通过网络发送。
1、文件数据从磁盘文件系统被读入到内核空间缓冲区。
2、内核空间中的数据直接传输至网络接口的缓冲区,没有数据被拷贝到用户空间,减少了CPU拷贝操作次数,并由网络接口发送。
通过这种方式,零拷贝技术避免了用户空间和内核空间之间不必要的数据拷贝,提升了性能。零拷贝更适合处理大量数据传输的情况,但它并不是适用于所有场景。实际的使用需要结合具体应用的性能特点和需求来决定。
概述——四次分析
零拷贝过程分析
零拷贝过程并不涉及用户态至内核态的多次数据拷贝,其目的就是减少从硬盘到网卡数据传输时的CPU拷贝次数。当我们说到"零拷贝"时,通常是指以下这种过程:
硬盘文件 ------> 内核态缓冲区 ------> 网络接口缓冲区
1、数据从硬盘首先被加载到内核态缓冲区(这个过程通常涉及DMA传输,因为它是I/O操作)。
2、然后,内核直接将数据从内核态缓冲区传输到网卡接口缓冲区进行网络发送,
而无需将数据拷贝到用户态缓冲区。这个阶段也可能利用DMA,
这样CPU不需要参与数据的实际移动。
数据拷贝过程分解:
- 硬盘 -> 内核态缓冲区(DMA拷贝)
- 内核态缓冲区 -> 网络接口缓冲区(一般是DMA拷贝,取决于具体实现)
没有用户态缓冲区参与这个过程。
非零拷贝(常规拷贝)过程
硬盘文件 ------> 内核态缓冲区 ------> 用户态缓冲区 ------> 内核态网络缓冲区
------> 网络接口缓冲区
1、数据从硬盘被加载到内核态缓冲区。
2、数据从内核态缓冲区被拷贝到用户态缓冲区。
4、接着数据从用户态缓冲区被拷贝回内核态网络缓冲区。
5、最后数据从内核网络缓冲区被发往网络接口缓冲区进行网络发送。
数据拷贝过程分解:
- 硬盘 -> 内核态缓冲区(DMA拷贝)
- 内核态缓冲区 -> 用户态缓冲区(CPU拷贝)
- 用户态缓冲区 -> 内核态网络缓冲区(CPU拷贝)
- 内核态网络缓冲区 -> 网络接口缓冲区(DMA拷贝)
小结
准确地描述零拷贝过程,应该是:
硬盘 ------> 内核态缓冲区 ------> 网络接口缓冲区(两次DMA拷贝,没有CPU拷贝)
这里所说的"DMA拷贝"实际上是直接内存访问,并非CPU的传统拷贝操作。
在用户态与内核态之间的数据复制都是通过CPU来完成的。
在零拷贝的语境下,省略了用户态参与的那些步骤,从而节约了CPU资源,
提高了数据传输的效率
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