DMA，Direct IO和零複製

Linux的標準IO過程中，資料將快取在Page Cache中。也就是說，在讀取資料過程中，資料將首先被複制到核心緩衝區（Page Cache），之後再由核心緩衝區複製到使用者緩衝區中；在寫資料過程中，使用者緩衝區中的內容也將首先複製到核心緩衝區，進而被寫到磁碟或者透過socket傳送到網路。

採用Page Cache，在一定程度上實現了應用程式和物理裝置的分離，也減少了IO次數，提高了系統的效能。但在某些場景下，也需要其它最佳化措施。

標準IO網路傳送流程

DMA：外部裝置與記憶體資料互動最佳化

在將資料讀取到核心快取和從核心緩衝寫回的過程，都要CPU全程參與。由於這個過程可花費較長時間，就會導致CPU被IO佔用，極大地降低了CPU的利用率。因此，誕生了DMA技術。DMA技術是Direct Memory Access的縮寫，其意思是“儲存器直接訪問”。它是指一種高速的資料傳輸操作，允許在外部裝置和記憶體之間直接讀寫資料，既不透過CPU，也不需要CPU干預。

DMA是指外部裝置不透過CPU而直接與系統記憶體交換資料的介面技術。要把外設的資料讀入記憶體或把記憶體的資料傳送到外設，一般都要透過CPU控制完成，如CPU程式查詢或中斷方式。利用中斷進行資料傳送，可以大大提高CPU的利用率。但是採用中斷傳送有它的缺點，對於一個高速I/O裝置，以及批次交換資料的情況，只能採用DMA方式，才能解決效率和速度問題。DMA在外設與記憶體間直接進行資料交換，而不透過CPU，這樣資料傳送的速度就取決於儲存器和外設的工作速度。

Direct IO：繞過核心緩衝區

對於某些特殊的應用程式來說，其具有自己使用者空間的快取機制，並不需要核心中快取，比如資料庫管理系統就是這列應用的代表。這種情況下，就需要採用Direct IO。Direct IO避開了核心緩衝區，在使用者地址空間和磁碟之間傳輸資料，從而降低了系統級別管理對應用程式訪問資料的影響，獲取到更好的效能。除了應用程式已經實現了磁碟檔案的快取這種場景之外，高併發環境中大檔案的傳輸也需要用到Direct IO。大檔案難以命中 PageCache 快取，又帶來額外的記憶體複製，同時還擠佔了小檔案使用 PageCache 時需要的記憶體，因此，這時應該使用Direct IO。

Direct IO繞過記憶體緩衝區，減少了核心緩衝區和使用者資料複製次數，降低了檔案讀寫所帶來的CPU負載能力和記憶體頻寬的佔用率。然而，Direct IO並非沒有缺點。首先，不經過記憶體緩衝區直接進行磁碟讀寫操作，必然會引起阻塞，因而需要將Direct IO與非同步IO一起使用。然後，除了快取外，核心（IO 排程演算法）會試圖快取儘量多的連續 IO 在 PageCache 中，最後合併成一個更大的 IO 再發給磁碟，這樣可以減少磁碟的定址操作，核心也會預讀後續的 IO 放在 PageCache 中，減少磁碟操作。Direct IO 繞過了 PageCache，所以無法享受Page Cache所帶來的效能提升。

零複製技術：繞過使用者態，使用者緩衝區不參與資料複製

考慮伺服器檔案傳輸的場景，直接讀取檔案，然後透過網路傳送出去。假如使用上面所說的標準IO，資料就需要被copy到使用者緩衝區，再從使用者緩衝區copy到核心緩衝區中。然而，如果資料並沒有發生改變，經過使用者緩衝區就是一種浪費。為了避免核心態與使用者態之間資料的多餘copy，減少上下文切換，就需要採用零複製技術。

應用程式對檔案的訪問常用的訪問方式有兩種：一種是利用系統呼叫read（）和write（）進行定址訪問；另一種是透過系統呼叫mmap（）建立直接訪問的虛擬地址空間對映。上文標準IO所示採用了read/write方式。如果應用程式呼叫mmap（），磁碟上的資料會透過DMA被複製的核心緩衝區，接著作業系統會把這段核心緩衝區與應用程式共享，這樣就不需要把核心緩衝區的內容往使用者空間複製。應用程式再呼叫write（），作業系統直接將核心緩衝區的內容複製到socket緩衝區中，這一切都發生在核心態，最後，socket緩衝區再把資料發到網絡卡去。使用mmap替代read很明顯減少了至少一次複製，但是仍舊會有使用者空間和核心空間的上下文切換。當複製資料量很大時，將大大提升效率。使用mmap時map一個檔案前，需要對檔案進行加鎖，否則當這個檔案被另一個程序截斷（truncate）時， write系統呼叫會因為訪問非法地址而被SIGBUS訊號終止。SIGBUS訊號預設會殺死應用程序併產生一個coredump，如果伺服器這樣被中止了，那會產生一筆損失。

Linux核心還提供了sendfile操作，使用sendfile不僅減少了資料複製的次數，還減少了上下文切換，資料傳送始終只發生在核心態中。