操作系统老大又开始了进程，操作系统老大感叹，毕竟自己肩上多了一份责任。令人恼火的是，新来的人都是无知的，几乎是一张白纸。一些老实人会按照自己的规矩做事，一些多刺的人喜欢提问，时不时的就想搞非法访问，想访问其他进程的地址空间，甚至想访问代码和内核的数据！这个时候只能杀了他祭天，留下一个coredumpbody给coder分析。图片来自宝途网规则很重要！想到这里，老大又看了一眼自己的内核空间。这台机器只有可怜的4G内存，0-3G是每个进程共享的，他独占了3G-4G的内存空间。新启动的进程是一个web服务器，他自称小W，是一个喜欢提问的家伙。他的第一个问题是：“老大，你怎么不混大众，反而要独占空间？”“这是给您的？”“为了我们？”“电脑的硬件资源是有限的，硬盘、内存、网卡、键盘、鼠标、时钟……如果让这些进程随意访问，大家争相抢夺，岂不是乱七八糟？”“再说了，那些底层硬件和驱动操作极其麻烦，每个进程都忍心写那些‘恶心’的代码？”老大连续三个问题震耳欲聋，小W顿时气喘吁吁。.这个抽象层下面是我的内核，就是我的代码和数据，所以我要一个人生活，不能和你们混在一起。”系统调用“那我想访问硬盘上的一个文件，怎么办？”小W问道。“很简单。我的抽象层有对外的接口，叫做系统调用，比如read、open、close等，可以打开一个文件，读取它的内容，读取完就关闭。”“听起来像是函数调用！”“没错，就是函数调用，但是和你内部的函数调用有着本质的区别。这个系统调用会让你从用户态切换到内核态，也就是切换到我的Kernel代码！”小W茫然的点点头，一副听懂的样子，估计是听不懂，也听不懂，老大操作系统心想，系统调用的复杂程度远超自己的想象。首先，所有Linux系统调用的参数都是通过寄存器而不是栈来传递的。按照惯例，寄存器EAX保存的是系统调用（例如，1表示exit系统调用，2表示fork，3表示read...），寄存器EBX、ECX、EDX、ESI、EDI最多可以包含6个任意参数。例如：write(1,"hello",5);这是一个系统调用，就是输出一个字符串到stdout(console)，在运行时，必须设置寄存器：EAX=4(4表示系统调用的编号)EBX=1(1表示stdout)ECX=字符串的地址EDX=字符串的长度然后调用int0x80系统中断，这进入安装内核后，我会取出EAX，从一个内核表中找到4号对应的系统调用句柄来执行。对了，我还需要把CPU的特权级从3设置为0，也就是内核态。看，看，我容易吗？我！操作系统感觉有点难过。读写这时候，小W探出头来，兴奋地说：“老板您好，有客户要访问我们硬盘上的文件，我要读取。然后通过socket发送出去。”需要系统调用吗？”“那是肯定的，访问文件系统必须经过我，访问socket必须经过我，没有系统调用怎么行？除了open和close，还需要两个关键的系统调用：”//从文件中读取长度为len的内容（以fd表示）放入缓冲区read(fd,buffer,len);//将缓冲区中长度为len的内容写入socket（以sockfd表示）write(sockfd,buffer,len);(注：read和write应该是sys_read和sys_write的“包装”函数，我们这里简化一下，认为是直接函数调用。）“好的！”小W做了一些准备，然后开始看书，开心的等待着数据的到来。操作系统收到read调用，落入内核，正式进入内核态，然后毫不客气地暂停小W的执行，让他进入阻塞队列（假设小W只有一个线程）。小W表示不满：“你为什么不让我跑？”“读取文件太慢了，先休息一下，数据来了会通知你。”老大使用DMA（DirectMemoryAccess）将文件的数据从硬盘复制到内核的缓冲区，再复制到用户的缓冲区。read调用完成后，回到用户态，小W可以继续执行。小W想通过socket发送数据，于是又发出了write调用，再次落入内核，进入内核态。boss将数据从userbuffer复制到socketbuffer，write调用返回，返回用户态。小W问：“这次这么快就回来了？数据发送了吗？”老大说：“你不用管，网卡驱动会适时发送，这是一个异步操作。”小W画了一张图，试图理解整个过程。等他画完图，不由啧了一声：“啧啧，就这么两个简单的系统调用，成本竟然这么高。”(1)需要两次进入内核态，两次返回。(2)数据实际被复制了3次。硬盘-->内核缓冲区-->用户缓冲区-->套接字缓冲区。浪费了。老大说：“你看，系统调用的开销很大，以后少调用。”小W说：“我觉得你的内核保护了硬件，但是效率很低，能不能优化一下？一会儿，省去用户态<-->核心态之间的数据拷贝？这太浪费了！”sendfile老大笑道：“我早就预料到这个水平了，我这里还有一个系统调用叫Sendfile，你可以试试看，通过这个系统调用，可以直接把文件内容发送到插座。"sendfile(socket,file,len);小W一看不错，只需要调用一次sendfile进入内核态就可以了，老大可以把数据从硬盘拷贝到内核缓冲区，然后直接copy到socketbuffer.area，完全不用干预，直接用就好了！但是转念一想，是不是需要从内核buffer复制到socketbuffer呢？网卡驱动直接不行吗从内核缓冲区中读取数据？老大似乎看穿了小W的心思，说道：“我知道你在想什么，你放心，我已经优化过了，我不会从内核缓冲区中复制数据到socketbuffer，反之，我只会复制一些位置和数据长度，等信息复制完就好了。NIC驱动程序可以直接从内核缓冲区读取数据。》小W这才松了口气，开始使用这个sendfile方式，果然，性能有了很大的提升！这其实就是所谓的零拷贝技术，从内核的角度来说，除了读取文件，没有额外的拷贝.零拷贝技术减少上下文切换，避免数据在用户态和核心态之间不断传输，不需要CPU参与数据复制，提高系统性能，零拷贝技术在web服务器中被引入如ngnix、apache【本文为专栏作家“刘鑫”原创稿件，转载请通过作者微信获得授权公众号coderising】点此查看作者更多好文
