一文读懂计算机内核态、用户态和零拷贝技术( 二 ) _计算机

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什么是 DMA ?没有 DMA，计算机程序访问磁盘上的数据I/O 的过程是这样的：

CPU 先发出读指令给磁盘控制器（发出一个系统调用），然后返回；
磁盘控制器接受到指令，开始准备数据，把数据拷贝到磁盘控制器的内部缓冲区中，然后产生一个中断；
CPU 收到中断信号后，让出CPU资源，把磁盘控制器的缓冲区的数据一次一个字节地拷贝进自己的寄存器，然后再把寄存器里的数据拷贝到内存，而在数据传输的期间 CPU 是无法执行其他任务的。

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可以看到，整个数据的传输有几个问题：一是数据在不同的介质之间被拷贝了多次；二是每个过程都要需要 CPU 亲自参与（搬运数据的过程），在这个过程，在数据拷贝没有完成前，CPU 是不能做额外事情的，被IO独占。
如果I/O操作能比较快的完成，比如简单的字符数据，那没问题。如果我们用万兆网卡或者硬盘传输大量数据，CPU就会一直被占用，其他服务无法使用，对单核系统是致命的。
为了解决上面的CPU被持续占用的问题，大佬们就提出了 DMA 技术，即直接内存访问（Direct Memory Access）技术。
那到底什么是 DMA 技术？
所谓的 DMA（Direct Memory Access，即直接存储器访问）其实是一个硬件技术，其主要目的是减少大数据量传输时的 CPU 消耗，从而提高 CPU 利用效率。其本质上是一个主板和 IO 设备上的 Dmac 芯片。CPU 通过调度 DMAC 可以不参与磁盘缓冲区到内核缓冲区的数据传输消耗，从而提高效率。
那有了DMA，数据读取过程是怎么样的呢？下面我们来具体看看。

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详细过程：

用户进程a调用系统调用read 方法，向OS内核（资源总管）发出 I/O 请求，请求读取数据到自己的内存缓冲区中，进程进入阻塞状态；
OS内核收到请求后，进一步将 I/O 请求发送 DMA，然后让 CPU 执行其他任务；
DMA 再将 I/O 请求发送给磁盘控制器；
磁盘控制器收到 DMA 的 I/O 请求，把数据从磁盘拷贝到磁盘控制器的缓冲区中，当磁盘控制器的缓冲区被写满后，它向 DMA 发起中断信号，告知自己缓冲区已满；
DMA 收到磁盘的中断信号后，将磁盘控制器缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区中，此时不占用 CPU，CPU 可以执行其他任务；
当 DMA 读取了一个固定buffer的数据，就会发送中断信号给 CPU；
CPU 收到 DMA 的信号，知道数据已经Ready，于是将数据从内核拷贝到用户空间，结束系统调用；

DMA技术就是释放了CPU的占用时间，它只做事件通知，数据拷贝完全由DMA完成。虽然DMA优化了CPU的利用率，但是并没有提高数据读取的性能。为了减少数据在2种状态之间的切换次数，因为状态切换是一个非常、非常、非常繁重的工作。为此，大佬们就提了零拷贝技术。
零拷贝技术实现的方式常见的有2种，而今引入持久化内存后，还有App直接访问内存数据的方式，这里先不展开。下面介绍常用的2种方案，它们的目的减少“上下文切换”和“数据拷贝”的次数。

mmap + write（系统调用）
sendfile

mmap + write主要目的，减少数据的拷贝
read() 系统调用：把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，用 mmap() 替换 read() ，mmap() 直接把内核缓冲区里的数据映射到用户空间，减少这一次拷贝。
buf = mmap(file, len);write(sockfd, buf, len);