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linux內核系統調用--sendfile函數

系統 1861 0
在apache,nginx,lighttpd等webserver其中,都有一項sendfile相關的配置,在一些網上的資料都有談到sendfile會提升文件傳輸性能,那sendfile究竟是什么呢?它的原理又是怎樣呢?

在傳統的文件傳輸里面(read/write方式),在實現上事實上是比較復雜的,須要經過多次上下文的切換,我們看一下例如以下兩行代碼:
Java代碼 ? 收藏代碼
  1. read(file,?tmp_buf,?len);??????
  2. ???????write(socket,?tmp_buf,?len);??????
????
??????? 以上兩行代碼是傳統的read/write方式進行文件到socket的傳輸。

當須要對一個文件進行傳輸的時候,其詳細流程細節例如以下:
1、調用read函數,文件數據被copy到內核緩沖區
2、read函數返回,文件數據從內核緩沖區copy到用戶緩沖區
3、write函數調用,將文件數據從用戶緩沖區copy到內核與socket相關的緩沖區。
4、數據從socket緩沖區copy到相關協議引擎。

一般來說一個網絡應用是通過讀硬盤數據,然后寫數據到 socket 來完畢網絡傳輸的。上面2行用代碼解釋了這一點,只是上面2行簡單的代碼掩蓋了底層的非常多操作。來看看底層是怎么運行上面2行代碼的:

1、系統調用 read() 產生一個上下文切換:從 user mode 切換到 kernel mode,然后 DMA 運行拷貝,把文件數據從硬盤讀到一個 kernel buffer 里。
2、數據從 kernel buffer 復制到 user buffer,然后系統調用 read() 返回,這時又產生一個上下文切換:從kernel mode 切換到 user mode。
3、系統調用 write() 產生一個上下文切換:從 user mode 切換到 kernel mode,然后把步驟2讀到 user buffer 的數據復制到 kernel buffer(數據第2次復制到 kernel buffer),只是這次是個不同的 kernel buffer,這個 buffer 和 socket 相關聯。
4、系統調用 write() 返回,產生一個上下文切換:從 kernel mode 切換到 user mode(第4次切換了),然后 DMA 從 kernel buffer 拷貝數據到協議棧(第4次拷貝了)。

上面4個步驟有4次上下文切換,有4次拷貝,我們發現假設能降低切換次數和拷貝次數將會有效提升性能。在kernel 2.0+ 版本號中,系統調用 sendfile() 就是用來簡化上面步驟提升性能的。sendfile() 不但能降低切換次數并且還能降低拷貝次數。


以上細節是傳統read/write方式進行網絡文件傳輸的方式,我們能夠看到,在這個過程其中,文件數據實際上是經過了四次copy操作:


硬盤—>內核buf—>用戶buf—>socket相關緩沖區—>協議引擎

而sendfile系統調用則提供了一種降低以上多次copy,提升文件傳輸性能的方法。Sendfile系統調用是在2.1版本號內核時引進的:
Java代碼 ? 收藏代碼
  1. sendfile(socket,?file,?len);??

執行流程例如以下:
1、sendfile系統調用,文件數據被copy至內核緩沖區
2、再從內核緩沖區copy至內核中socket相關的緩沖區
3、最后再socket相關的緩沖區copy到協議引擎

相較傳統read/write方式,2.1版本號內核引進的sendfile已經降低了內核緩沖區到user緩沖區,再由user緩沖區到socket相關緩沖區的文件copy,而在內核版本號2.4之后,文件描寫敘述符結果被改變,sendfile實現了更簡單的方式,系統調用方式仍然一樣,細節與2.1版本號的不同之處在于,當文件數據被拷貝到內核緩沖區時,不再將全部數據copy到socket相關的緩沖區,而是只將記錄數據位置和長度相關的數據保存到socket相關的緩存,而實際數據將由DMA模塊直接發送到協議引擎,再次降低了一次copy操作。

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