sendfile()

为了简化用户接口，同时还要继续保留 mmap()/write() 技术的优点：

减少 CPU 的拷贝次数，Linux 在版本 2.1 中引入了 sendfile() 这个系统调用。

sendfile() 不仅减少了数据拷贝操作，它也减少了上下文切换。

首先：sendfile() 系统调用利用 DMA 引擎将文件中的数据拷贝到操作系统内核缓冲区中，然后数据被拷贝到与 socket 相关的内核缓冲区中去。

接下来，DMA 引擎将数据从内核 socket 缓冲区中拷贝到协议引擎中去。

如果在用户调用 sendfile() 系统调用进行数据传输的过程中有其他进程截断了该文件，那么 sendfile() 系统调用会简单地返回给用户应用程序中断前所传输的字节数，errno 会被设置为 success。

如果在调用 sendfile() 之前操作系统对文件加上了租借锁，那么 sendfile() 的操作和返回状态将会和 mmap()/write () 一样。

适用场景

sendfile() 系统调用不需要将数据拷贝或者映射到应用程序地址空间中去，所以 sendfile() 只是适用于应用程序地址空间不需要对所访问数据进行处理的情况。

相对于 mmap() 方法来说，因为 sendfile 传输的数据没有越过用户应用程序/操作系统内核的边界线，所以 sendfile() 也极大地减少了存储管理的开销。

但是，sendfile() 也有很多局限性，如下所列：

sendfile() 局限于基于文件服务的网络应用程序，比如 web 服务器。据说，在 Linux 内核中实现 sendfile() 只是为了在其他平台上使用 sendfile() 的 Apache 程序。

由于网络传输具有异步性，很难在 sendfile() 系统调用的接收端进行配对的实现方式，所以数据传输的接收端一般没有用到这种技术。

基于性能的考虑来说，sendfile() 仍然需要有一次从文件到 socket 缓冲区的 CPU 拷贝操作，这就导致页缓存有可能会被传输的数据所污染。

带有 DMA 收集拷贝功能的 sendfile()

上小节介绍的 sendfile() 技术在进行数据传输仍然还需要一次多余的数据拷贝操作，通过引入一点硬件上的帮助，这仅有的一次数据拷贝操作也可以避免。

为了避免操作系统内核造成的数据副本，需要用到一个支持收集操作的网络接口，这也就是说，待传输的数据可以分散在存储的不同位置上，而不需要在连续存储中存放。这样一来，从文件中读出的数据就根本不需要被拷贝到 socket 缓冲区中去，而只是需要将缓冲区描述符传到网络协议栈中去，之后其在缓冲区中建立起数据包的相关结构，然后通过 DMA 收集拷贝功能将所有的数据结合成一个网络数据包。

网卡的 DMA 引擎会在一次操作中从多个位置读取包头和数据。

Linux 2.4 版本中的 socket 缓冲区就可以满足这种条件，这也就是用于 Linux 中的众所周知的零拷贝技术，这种方法不但减少了因为多次上下文切换所带来开销，同时也减少了处理器造成的数据副本的个数。

对于用户应用程序来说，代码没有任何改变。

首先，sendfile() 系统调用利用 DMA 引擎将文件内容拷贝到内核缓冲区去；然后，将带有文件位置和长度信息的缓冲区描述符添加到 socket 缓冲区中去，此过程不需要将数据从操作系统内核缓冲区拷贝到 socket 缓冲区中，DMA 引擎会将数据直接从内核缓冲区拷贝到协议引擎中去，这样就避免了最后一次数据拷贝。

通过这种方法，CPU 在数据传输的过程中不但避免了数据拷贝操作，理论上，CPU 也永远不会跟传输的数据有任何关联，这对于 CPU 的性能来说起到了积极的作用：首先，高速缓冲存储器没有受到污染；其次，高速缓冲存储器的一致性不需要维护，高速缓冲存储器在 DMA 进行数据传输前或者传输后不需要被刷新。

然而实际上，后者实现起来非常困难。

源缓冲区有可能是页缓存的一部分，这也就是说一般的读操作可以访问它，而且该访问也可以是通过传统方式进行的。

只要存储区域可以被 CPU 访问到，那么高速缓冲存储器的一致性就需要通过 DMA 传输之前冲刷新高速缓冲存储器来维护。

而且，这种数据收集拷贝功能的实现是需要硬件以及设备驱动程序支持的。

参考资料

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-zerocopy2/