一文读懂零拷贝技术｜splice使用

• 服务端首先调用 read() 函数读取文件内容。
• 服务端通过调用 write()/send() 函数将文件内容发送给客户端连接。

上面过程如下图所示：

从所提供的图形解析中，我们观察到在文件传输过程中，一个初始步骤涉及将文件页缓存（Page Cache）从内核态转移至用户态缓存。之后，数据再从用户态缓存传输到客户端的Socket缓冲区。

在此传输过程中，实际上并不需要先将文件数据转移至用户态缓存，而可以直接从文件页缓存复制到Socket缓冲区，以此省略一个数据复制步骤。

为实现此目的，内核提供了一个称为 splice() 的系统调用。通过使用 splice() 系统调用，可以直接从内核态将数据传输到Socket缓冲区，从而避免了不必要的数据复制到用户态缓存。

这种避免在用户态和内核态之间进行数据拷贝的技术通常被称作零拷贝技术。

接下来，我们将深入探讨 splice() 系统调用的工作原理及其实现方式。

splice 使用实例

如果服务端要发送文件给客户端，使用 read()/write() 方式来实现的话，代码如下所示：

/**
 * 发送文件给客户端（read/write版本）
 */
int send_file_to_client(int client_fd, char *file)
{
    int fd;
    struct stat fstat;
    int blocks, remain;
    char buf[4096]; // 每次发送4096个字节

    fd = open(file, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        return -1;
    }

    stat(file, &fstat);               // 用于获取文件的大小
    blocks = fstat.st_size / 4096;    // 需要发送的次数
    remain = fstat.st_size % 4096;    // 如果文件的大小不是4096的倍数，要额外发送这些数据

    for (i = 0; i read(fd, buf, 4096);          // 读取文件内容
        write(client_fd, buf, 4096);  // 发送文件内容给客户端
    }

    if (remain > 0) {
        read(fd, buf, remain);
        write(client_fd, buf, remain);
    }

    return 0;
}

上面代码的流程比较简单，如下：

• 首先通过调用 stat() 系统调用获取文件的大小。
• 然后通过调用 read() 系统调用读取文件内容。
• 最后通过调用 write() 系统调用将文件内容发送给客户端连接。

从上面的代码可以看出，使用 read()/write() 方式发送文件给客户端，首先需要将文件内容读到用户态缓存中，然后才能发送给客户端连接。

然而，将文件内容读取到用户态缓存这个过程是多余的，我们看看怎么使用 splice() 系统调用来避免将文件内容拷贝到用户态缓存。

使用 splice() 发送文件时，需要创建一个管道作为中转，代码如下：

/**
 * 发送文件给客户端（splice版本）
 */
int send_file_to_client(int client_fd, char *file)
{
    int fd;
    struct stat fstat;
    int blocks, remain;
    int pipefd[2];

    fd = open(file, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        return -1;
    }

    stat(file, &fstat);

    blocks = fstat.st_size / 4096;
    remain = fstat.st_size % 4096;

    pipe(pipefd);  // 创建管道作为中转

    for (i = 0; i if (remain > 0) {
        splice(fd, NULL, pipefd[1], NULL, remain, SPLICE_F_MOVE|SPLICE_F_MORE);
        splice(pipefd[0], NULL, client_fd, NULL, remain, SPLICE_F_MOVE|SPLICE_F_MORE);
    }

    return 0;
}

从上面代码可以看出，使用 splice() 发送文件时，我们并不需要将文件内容读取到用户态缓存中，但需要使用管道作为中转（关于 管道 的原理可以参考这篇文章：《图解 | Linux进程通信 – 管道实现》）。

其实这里的管道只是作为一个通道，并不会产生数据拷贝的，如下图所示：

对比 read()/write() 版本的原理图，可以看出 splice() 版本省去了拷贝文件内容到用户态缓存这个步骤。

总结

本文主要介绍了使用 read()/write() 方式传输文件与使用 splice() 方式传输文件的原理，也提供了这两种方式的实例代码。

当然，从原理上看，使用 splice() 方式传输文件会比 read()/write() 方式性能要高。但如果真实测试这两种方式，会发现性能相差并不大。这是由于 splice() 方式虽然减少了数据拷贝过程，但是其处理逻辑比 read()/write() 方式更为复杂，所以性能提升并不理想，有兴趣的读者可以自己测试一下。

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