sendfile函数-零拷贝 - 全栈程序员必看

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

零拷贝：零拷贝技术可以减少数据拷贝和共享总线操作的次数，消除通信数据在存储器之间不必要的中间拷贝过程，有效地提高通信效率，是设计高速接口通道、实现高速服务器和路由器的关键技术之一。
sendfile

#include <sys/sendfile.h>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t* offset, size_t count);

参数特别注意的是：in_fd必须是一个支持mmap函数的文件描述符，也就是说必须指向真实文件，不能使socket描述符和管道。
out_fd必须是一个socket描述符.
由此可见sendfile几乎是专门为在网络上传输文件而设计的。
out_fd:已经打开了，用于写操作的文件描述符
in_fd:已经打开了，用于读操作的文件描述符
offset:偏移量:表示sendfile函数从in_fd中的哪一偏移量开始读取数据，如果是0表示从文件的开始读，否则从相应的偏移量读取，如果是循环读取的时候，下一次offset值应为sendfile函数返回值加上本次的offset的值。
count:是在两个描述符之间拷贝的字节数
返回值：
如果成功的拷贝，返回写操作到out_fd的字节数，错误返回-1，并相应的设置error信息。

关于sendfile与read和write的比较
服务器响应一个http请求的步骤如下：
1.把磁盘文件读入内核缓冲区
2.从内核缓冲区读到内存
3.处理(静态资源不需要处理)
4.发送到网卡的内核缓冲区(发送缓存)
5.网卡发送数据
而sendfile系统调用，省略了2，3步，磁盘文件被直接发送到了网卡的内存缓冲区，减少了数据复制和内核态切换的开销。
sendfile一直都在核心态进行

普通的read和write的传统网络传输过程的步骤

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);
硬盘 >> kernel buffer >> user buffer >> kernel socket buffer >> 协议栈

一般的网络应用是通过读硬盘数据，然后写数据到socket来完成网络传输的。
底层实现如下：
1.系统调用read()产生一个上下文切换：从用户模式切换到内核模式，然后DMA(直接内存存取)执行拷贝，把文件数据从硬盘读到一个内核缓冲区里面去。
2.数据从内核缓冲区拷贝到用户态缓冲区，然后系统调用read()返回，这时又产生一个上下文切换：从内核状态切换到用户态。
3.系统调用write()产生一个上下文切换：从用户态切换到内核态，然后把步骤2中读到用户缓冲区的数据拷贝到核心态缓冲区（数据第二次拷贝到核心态缓冲区），不过这次是个不同的核心态缓冲区，这个缓冲区和socket相关联。
4.系统调用write()返回，产生一个上下文切换：从内核态切换到用户态(第4次切换)，然后DMA从内核缓冲区拷贝数据到协议栈(第四次拷贝)。

上述4个步骤，4次上下文切换，4次拷贝，我们发现减少他的切换和拷贝次数，将有效提高性能。这也是sendfile提高性能的方法。

关于sendfile进行网络传输的过程

sendfile(socket, file, len);
硬盘 >> kernel buffer (快速拷贝到kernel socket buffer) >> 协议栈

1.系统调用sendfile()通过DMA把硬盘数据拷贝到内核缓冲区，然后数据直接拷贝到另一个与socket相关的内核缓冲区。(区别)这里没有用户态和核心态之间的切换，在核心态中直接完成了从一个缓冲区到另一个缓冲区的拷贝。
2.DMA把数据从内核缓冲区直接拷贝给协议栈，没有切换，也不需要数据从用户态拷贝到核心态，因为数据就在内核里面。
由此比较，sendfile远比read和write方式在进行数据拷贝时高效。

关于sendfile的应用代码–代码作用是把a文件(和客户端程序在同一目录下)传递给服务器端
服务端

#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
int main(int argc,char* argv[])
{
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    assert(sockfd!=-1);

    struct sockaddr_in saddr,caddr;

    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6500);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.11");

    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    assert(res!=-1);

    listen(sockfd,5);

    int len = sizeof(caddr);
    int c = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);

    while(1)
    {
         if(c<0)
         {
             continue;
         }
         char buff[128] = {
  
  0};
         recv(c,buff,127,0);
         printf("%s",buff);
    }
    close(c);
    return 0;
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/sendfile.h>

int main(int argc,char* argv[])
{
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    assert(sockfd!=-1);

    struct sockaddr_in saddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6500);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.11");

    int res = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    assert(res!=-1);

    int fd1 = open("./a",O_RDONLY);
    int len = 1;
    while(len)
    {
        len = sendfile(sockfd,fd1,0,1024);
        if(len==0)
        {
            break;
        }
        printf("发出了%d个字节\n",len);
    }
    close(sockfd);
    return 0;

}