Linux I/O Optimization: Zero-Copy Techniques

本文邀请到腾讯CSIG后台开发工程师kevineluo从文件传输场景以及零拷贝技术深究Linux I/O的发展过程、优化手段以及实际应用。

I/O相关的各类优化已经深入到了日常开发者接触到的语言、中间件以及数据库的方方面面。通过了解和学习相关技术和思想，开发者能对日后自己的程序设计以及性能优化上有所启发。

存储器是计算机的核心部件之一，在完全理想的状态下，存储器的特性应包括：第一，速度足够快；第二，容量足够大；第三，价格足够便宜。

现实中，现代计算机的存储器设计采用分层次结构，从顶至底分别为寄存器、高速缓存、主存和磁盘。

存取速度最快的是寄存器，因为寄存器的制作材料和CPU相同，CPU访问寄存器没有时延，但容量小且价格昂贵。

第二层是高速缓存，也即CPU高速缓存L1、L2、L3，L1每个CPU独享，L3全部CPU共享。

第三层是主存，也即主内存，是与CPU直接交换数据的内部存储器。

磁盘则是最慢的，读写速度相差内存上百倍。

零拷贝技术旨在减少用户态与内核态的上下文切换和数据拷贝次数，从而提升系统性能。

零拷贝技术实现方式包括mmap+write、sendfile、splice等。

在大文件传输场景下，使用异步I/O+direct I/O更合适，避免PageCache的负优化。

零拷贝技术的应用场景包括Kafka、Nginx等。

零拷贝技术有其局限性，如平台不兼容、上下文切换限制等。