磁盘数据发送到网络的拷贝过程

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磁盘数据发送到网络的拷贝过程

  1. 传统方式的4次拷贝

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    │  磁盘   │ -> │ 内核缓冲区│ -> │ 用户缓冲区│ -> │socket缓冲区│ -> │  网卡   │
    └─────────┘    └──────────┘    └─────────┘    └──────────┘    └─────────┘
        拷贝1          拷贝2           拷贝3           拷贝4

  2. 详细解释每次拷贝

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    // 示例代码
    File.read(fileDesc, buf, len);   // 读取文件
    Socket.send(buf, len);           // 发送数据

    过程解析：
    第1次拷贝：DMA拷贝
    - 由DMA控制器完成
    - 将磁盘数据拷贝到内核缓冲区
    - 不需要CPU参与

    第2次拷贝：CPU拷贝
    - 由CPU完成
    - 将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区(如JVM堆)
    - read()系统调用的结果

    第3次拷贝：CPU拷贝
    - 由CPU完成
    - 将数据从用户缓冲区拷贝到socket缓冲区
    - write()系统调用的过程

    第4次拷贝：DMA拷贝
    - 由DMA控制器完成
    - 将socket缓冲区的数据拷贝到网卡
    - 准备通过网络发送

  3. 上下文切换

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    涉及的上下文切换：
    1. read()调用：用户态 -> 内核态
    2. read()返回：内核态 -> 用户态
    3. write()调用：用户态 -> 内核态
    4. write()返回：内核态 -> 用户态

    总计：4次上下文切换

  4. 性能影响

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    资源消耗：
    - CPU时间：用于数据拷贝和上下文切换
    - 内存带宽：多次数据拷贝
    - 延迟增加：每次上下文切换大约需要1-10微秒

    示例计算(发送1MB数据)：
    - 数据拷贝：~10ms
    - 上下文切换：~4-40微秒
    - 总耗时：>10ms

  5. 对比零拷贝

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    零拷贝方式：
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    │  磁盘   │ -> │ 内核缓冲区│ -> │  网卡   │
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        DMA拷贝        DMA拷贝

    优势：
    - 只有2次DMA拷贝
    - 不需要CPU拷贝
    - 减少上下文切换
    - 降低延迟和CPU使用率