操作系统零拷贝技术、PageCache

1.DMA技术在I/O子系统的运用

1.1 DMA技术诞生的背景

在早期计算机中，系统的I/O流程如下：

        1. CPU通过系统和I/O总线给磁盘控制器发出指令。
        1. 磁盘控制器收到指令后，控制器负责读取磁盘数据，将磁盘数据放入控制器内部缓冲，然后在I/O总线上发出一个CPU中断信号。
        1. CPU收到中断信号，将磁盘控制器的缓冲区按字节依次读取到CPU寄存器中，然后将寄存器数据写入内存，此期间CPU不会调度进程做额外的计算工作。

由于整个数据的传输过程都需要CPU亲自参与，如果数据量很大的时候，显然这种模式会消耗 大量CPU时间，于是直接内存访问DMA技术就诞生了。

1.2 DMA工作流程

DMA是一种特殊的芯片，它可以控制设备控制器和内存数据交互，无需CPU干预控制和拷贝过程。

        1. CPU通过设置DMA控制器的寄存器，告诉DMA需要传送数据的地址等信息。
        1. DMA将I/O请求发送给磁盘控制器。
        1. 磁盘控制器收到DMA的I/O请求，将磁盘数据拷贝到磁盘控制器的内部缓冲区，缓冲区到达一定量会给DMA发起一个中断信号。
        1. DMA收到磁盘控制器的信号，将磁盘控制器内部缓冲区数据根据I/O总线拷贝到操作系统内核空间。
        1. DMA读取了足够多的数据就会给CPU发送中断信号。
        1. CPU收到DMA完成一次传输的信号，将内核空间的数据拷贝到指定进程用户空间地址

1.3 网络传输文件的流程

2.零拷贝技术

零拷贝技术并不是一次拷贝也没有，而是减少文件的拷贝次数。

2.1 内存映射技术 mmap

mmap：内存文件映射，操作系统可以通过mmap()函数将磁盘上的文件映射到内存的一块区域，进程可以像读写内存一样来读写该文件。在传统的read()函数中，read函数会将内核缓冲区数据拷贝到用户空间中，mmap函数无需这一次拷贝。mmap()函数会把内核缓冲区数据映射到进程的用户态空间中。

2.2 sendfile模式

在Linux2.1版本中，系统提供了一个函数sendfile()，ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);，它可以代替read和write两个系统调用，这样相比于mmap就会又减少一次系统调用，也减少了2此进程的上下文切换，全流程只需要2次上下文切换和3此数据拷贝。

2.2.1 SG-DMA

在Linux2.4版本后，并且网卡支持SG-DMA技术的情况下，sendfile()函数还可以进一步优化，更加少一步数据拷贝

3.PageCache

在I/O系统中，数据从设备控制器拷贝到操作系统内核缓冲区，这个内核缓冲区就是PageCache。它的作用是将操作系统最近频繁读写的数据写入PageCache中提高性能，因为磁盘I/O的速度不高，参考局部性原理，PageCache有着预读的功能。但是，在传输大文件的时候PageCache会被很快写满，其它热点数据就无法更好利用PageCache，从总体上降低了操作系统的效率。所以针对大文件的传输，不建议使用PageCache而是建议绕过设备控制器缓存拷贝到PageCache的这一个流程，这个流程叫直接I/O或者叫异步I/O。