什麼是Zero-Copy?

什麼是Zero-Copy?
想要了解這個名詞是指什麼意思的話，讓我們從一個簡單的範例開始，這個範例是server讀取一個檔案，然後把檔案資料經由socket將資料傳送給client。
簡化範例程式如下：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

Figure 1的圖說明了，這兩行程式實際的運作流程。(1)當執行read函式後，進入Kernel的syscall read()，檔案資料會經由DMA傳到Kernel管的Buffer，然後再由CPU將檔案資料搬到user buffer(tmp_buf)裏。
(2)執行write後，Kernel的syscall write()，再用CPU去把user buffer的資料搬到socket buffer裏，資料進到socket buffer後，會再經由DMA的方式將資料送出去給client。

問題分析：
從整個流程你應該會發現有一堆資料是重覆的，如果能把這些部份改掉，那就可以減少記憶體的消耗並增加效能。
以硬體的角度來看，其實是可以做到直接跳過記憶體的資料暫存的，直接把檔案資料傳到網路去，這樣子的功能是最直接最有效率的，但並不是所有的硬體都支援這種方式。

那我們是否可以減少user buffer這個部份呢？答案是肯定的，我們必需使用mmap來取代read的功能。
簡化範例程式如下：

tmp_buf = mmap(file, len);
write(socket, tmp_buf, len);

Figure 2的圖說明了，這兩行程式實際的運作流程。(1)mmap執行後，如同read system call會將檔案資料經由DMA複製一份到kernel buffer，但不同的地方是，read()會需要把kernel buffer複製到user buffer，mmap()並不會，mmap的user buffer跟kernel buffer是同一個位置，所以mmap可以減少一次CPU copy。
(2)write()執行，把kernel buffer經由CPU複製到socket buffer，然後再經由DMA複製到client去。

問題分析：
但是使用mmap來改善並不是不需要付出代價的，當你使用mmap+write的方法時，假設同時又有另外一支程式對同一個檔案執行write時，將會引發SIGBUS的訊號，因為你執行了一個錯誤的記憶體存取，而它的預設處理行為是，系統砍掉你的程式，並且產生core dump。
當然一支網路程式不應該這麼做處理的，有兩個方式來處理這個情況：
(1)方法一：在SIGBUS訊號設置callback function，當SIGBUS出現時由這個新設置的handler來進行處理，但這種方式不好，因為它是事後去補救，並不是正規的解決方法。
(2)方法二：使用租約(lease)的方式(windows裏稱opportunistic locking機會鎖)
如：
if(fcntl(fd, F_SETSIG, RT_SIGNAL_LEASE) == -1) {
perror("kernel lease set signal");
return -1;
}
/* l_type can be F_RDLCK F_WRLCK */
if(fcntl(fd, F_SETLEASE, l_type)){
perror("kernel lease set type");
return -1;
}

更好的做法是使用sendfile函式
簡化範例程式如下：
sendfile(socket, file, len);
Figure 3的圖說明了，這行程式在Kernel 2.1版本的實際運作流程，sendfile直接取代了read/write兩個函式，並且減少了context switch的次數。(1)sendfile執行後，檔案資料會經由DMA傳給Kernel buffer，再由CPU複製到socket buffer去
(2)再把socket buffer的資料經由DMA傳給client去，所以執行了2次DMA Copy及1次的CPU Copy，總共3次的資料複製。

問題分析：
所以到目前為止我們已看到改善了不少地方了，但還是有一份重複的資料，那就是socket buffer，這份資料是否也可以不要呢？基本上也是可行的，只要硬體提供一點點幫助是可以做到的，那就是gather(聚合)的功能，這個功能主要的目的是，待發送端不要求存放的資料位址是連續的記憶體空間，可以是分散在記憶體的各個位置。所以到了2.4的kernel以後，socket buffer的descriptor做了一些變動，以支援gather的需求，而這個功能就是Zero-Copy。
這種方式不僅僅是減少了context switch而且也減少了buffer的使用，從上層的程式來講，也不需要做任何的變動。所以程式同樣的還是底下這行
sendfile(socket, file, len);
Figure 4的圖說明了，這行程式在Kernel 2.4版本的實際運作流程(1)sendfile執行後，檔案資料經由DMA傳給Kernel buffer，但已不會再把資料copy到socket buffer了，socket buffer只會去管有那些Kernel buffer的address及資料長度，所以圖是用apend。
(2)資料傳給client去也是用DMA的方式，但來源變成kernel buffer了。

所以就完成了，不需要CPU去搬資料，而是純DMA搬資料的Zero-Copy了。

原本資料來源：
http://www.linuxjournal.com/article/6345

測試文章：有人針對這篇文章去進行測試的實驗結果
雖然它測起來的傳輸速度似乎沒差，但應再加上CPU負載的資料及記憶體使用量去分析，如果速度一樣但CPU loading變輕，client端很多但記憶體使用量減少，那還是有很高的實用價值。
但還有個問題，網路傳輸不見得只有直接傳檔案啊，如果是傳非檔案的資料，sendfile還是適用嗎?
http://bbs.lpi-china.org/viewthread.php?tid=4292&extra=page%3D1