Linux网络处理“零拷贝”技术&mmap()&内核进程间通信设计&8086分页管理——摆在一起来谈谈

Jack：最近听说了网络处理的“零拷贝”技术，觉得非常神奇，在网上查阅了很多资料。不过，并不是太明白——知其然，而不知其所以然。你能通俗地解释一下吗？

我：这是一个相对比较复杂的话题，说起来话就多了。本质上来说，其实就是80386的分页管理变异而已。

Jack：分页管理？这个跨度有点大，穿越了。

我：你觉得穿越，是因为你基础不过关。基础不过关，看技术就像看天书。如果你“本源技术”学得很好，那些看是玄妙的技巧，一眼就可以看破。

Jack：为什么说“零拷贝”技术的本质是80386的分页管理变异的呢？

我：我们先说一说，零拷贝技术的本质是什么吧。当一个网络数据包通过网卡进入内核，然后再进入用户空间的时候，至少会经过2次data copy。不要小看两次data copy——互联网行业的网络服务器的CPU资源80%都消耗在这2次数据copy上去了，基本上别的事情都做不了。而事实上，这样的数据拷贝完全是没有必要的——这个数据包从网卡到内核再到用户空间，这个拷贝的过程仅仅起到了“传输”的作用，而数据包内容没有任何变化。零拷贝技术正是解决这两次拷贝。它能让两次拷贝完全消除，一次都不拷贝。

Jack：消除这两次拷贝的关键点在哪里呢？

我：这里需要分开讨论。第一次数据拷贝发生在“网卡到内核”。网卡到内核这种说法算是比较边缘性的。专业一点的说法是，外部设备到主存储器的数据传输。这个概念听着熟悉吧？

Jack：是的。这让我想起了外部设备到主存的三种数据传输方式——轮询、中断、DMA。其中轮询太龊了，基本上没有实用价值，而DMA适合在数据传输比较大的情况下使用，而且需要该外部设备支持。一般情况下，中断的方式用得比较多。

我：是的。中断是操作系统的神经中枢。不过，如果要实现零拷贝技术，这个网卡一定要采用DMA技术。

Jack：为什么呢？即便采用了DMA技术，数据任然要从网卡拷贝到主存，并不能算作“零拷贝”。

我：是的。使用DMA技术，仍然需要把数据从网卡拷贝到主存——但是，拷贝的过程中，CPU是完全不需要参与的。既然CPU不参与，就不会有任何CPU资源消耗，data copy带来的损耗就可以避免开了，所以这一层的data copy就被cut了。

Jack：明白了。那内核到用户空间的数据拷贝是怎么消除的呢？

我：我先不回答这一个问题。我先问一个问题，数据如何从内核拷贝到用户空间呢？

Jack：从CPU层面来说，内核与用户空间处于不同的段（segment），段间数据拷贝，必须要有一个起中转作用的段寄存器参与才行。

我：是的。386CPU有fs寄存器充当这样的角色。

Jack：但是，如何才能实现段间数据共享呢？

我：从CPU的内存管理的角度来说，这是不可能实现的。Intel的设计就是段与段间分隔开来，每个段有自己的存储空间、属性等。

Jack：那从CPU的内存管理的角度来说，“零拷贝”岂不是完全不能实现？

我：是的。不仅不能实现，“零拷贝”的思想与操作系统内核的设计思想、CPU的设计思想是完全背道而驰的，属于妖孽那一类。

Jack：不要卖关子了。直接说吧，Linux内核是如何做到“零拷贝”的呢？

我：消除从Linux内核到用户空间的数据拷贝的关键点在于80386的虚拟内存机制——这是CPU层面的技术，并不是操作系统层面的技术。从Linux内核的设计角度来讲，它天生就认为从网卡到内核到用户空间的2次数据拷贝是必须的，拷贝了两次才是完整的（尽管做了无用功、在网络流量比较大的情况下性能低下，但是站在Linux内核的角度，它就要这么做）。而“零拷贝”技术正是打破了操作系统的设计理念，妖孽了一把，从CPU层面打破Linux内核与用户空间的阻隔，使其内存共享。

Jack：CPU的这种功能具体是什么呢？

我：就是80386的虚拟内存管理与分页机制的组合。虚拟内存可以通过页目录、页表映射到物理内存地址，也可以直接映射到物理磁盘上（的文件）去。关键点就在这里了。既然虚拟内存可以映射到文件上去，而文件又是多个进程共享的（不用区分内核与用户进程），内核的某一块内存区域映射到一个文件，而用户进程（server进程）又关联到这一个文件，那么这个用户进程（server进程）就可以直接操作Linux内核的某块内存区域了。如果内核中的这块内存区域再被设定为网卡DMA映射的内存区，“零拷贝”也就实现了。

Jack：Linux为这种操作系统设计了API吗？

我：有的。mmap（）就是做这个事儿的。而实际上，Unix进程间通信的“共享内存”方式，其本质原理，也是这个。

Jack：明白了，作为一个操作系统内核，其设计理念势必把内核与用户进程区分开来，而各个用户进程的内存区域也必然是互相隔离的。这样，才是真正的进程的概念。进程间需要通信，最“正当”的方式是在内核区域构建相应的数据结构，某进程需要通信就通过系统调用进入内核区域，修改代码，然后通知到需要通信的进程。被通知的进程通过系统调用进入内核空间，通信完成。如果进程间需要进行数据传输，只能先通过A进程传输到内核，然后再从内核传输到B进程，期间必然发生至少2次数据拷贝。

我：是的。

Jack：但是。“共享内存”与mmap本质上借用了80386的虚拟内存管理模式，打破了操作系统的设计思想。而mmap其实是共享内存的一般使用模式。

我：是的。能说出“而mmap其实是共享内存的一般使用模式”这样的话，说明你把握到关键点了。