支撑百万并发的“零拷贝”技术，你了解吗？( 三 ) _零拷贝

内存映射区域：例如将动态库，共享内存等虚拟空间的内存映射到物理空间的内存，一般是 mmap 函数所分配的虚拟内存空间。

Linux 的内部层级结构
内核态可以执行任意命令，调用系统的一切资源，而用户态只能执行简单的运算，不能直接调用系统资源。用户态必须通过系统接口(System Call)，才能向内核发出指令。

比如，当用户进程启动一个 bash 时，它会通过 getpid() 对内核的 pid 服务发起系统调用，获取当前用户进程的 ID 。
当用户进程通过 cat 命令查看主机配置时，它会对内核的文件子系统发起系统调用：

内核空间可以访问所有的 CPU 指令和所有的内存空间、I/O 空间和硬件设备。
用户空间只能访问受限的资源，如果需要特殊权限，可以通过系统调用获取相应的资源。
用户空间允许页面中断，而内核空间则不允许。
内核空间和用户空间是针对线性地址空间的。
x86 CPU 中用户空间是 0-3G 的地址范围，内核空间是 3G-4G 的地址范围。

x86_64 CPU 用户空间地址范围为0x0000000000000000–0x00007fffffffffff，内核地址空间为 0xffff880000000000-最大地址。

所有内核进程(线程)共用一个地址空间，而用户进程都有各自的地址空间。

有了用户空间和内核空间的划分后，Linux 内部层级结构可以分为三部分，从最底层到最上层依次是硬件、内核空间和用户空间，如下图所示：

文章插图

Linux I/O 读写方式
Linux 提供了轮询、I/O 中断以及 DMA 传输这 3 种磁盘与主存之间的数据传输机制。其中轮询方式是基于死循环对 I/O 端口进行不断检测。
I/O 中断方式是指当数据到达时，磁盘主动向 CPU 发起中断请求，由 CPU 自身负责数据的传输过程。
DMA 传输则在 I/O 中断的基础上引入了 DMA 磁盘控制器，由 DMA 磁盘控制器负责数据的传输，降低了 I/O 中断操作对 CPU 资源的大量消耗。
I/O 中断原理
在 DMA 技术出现之前，应用程序与磁盘之间的 I/O 操作都是通过 CPU 的中断完成的。

每次用户进程读取磁盘数据时，都需要 CPU 中断，然后发起 I/O 请求等待数据读取和拷贝完成，每次的 I/O 中断都导致 CPU 的上下文切换：

用户进程向 CPU 发起 read 系统调用读取数据，由用户态切换为内核态，然后一直阻塞等待数据的返回。
CPU 在接收到指令以后对磁盘发起 I/O 请求，将磁盘数据先放入磁盘控制器缓冲区。
数据准备完成以后，磁盘向 CPU 发起 I/O 中断。
CPU 收到 I/O 中断以后将磁盘缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区，然后再从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。
用户进程由内核态切换回用户态，解除阻塞状态，然后等待 CPU 的下一个执行时间钟。

DMA 传输原理
DMA 的全称叫直接内存存取(Direct Memory Access)，是一种允许外围设备(硬件子系统)直接访问系统主内存的机制。
也就是说，基于 DMA 访问方式，系统主内存于硬盘或网卡之间的数据传输可以绕开 CPU 的全程调度。
目前大多数的硬件设备，包括磁盘控制器、网卡、显卡以及声卡等都支持 DMA 技术。

整个数据传输操作在一个 DMA 控制器的控制下进行的。CPU 除了在数据传输开始和结束时做一点处理外(开始和结束时候要做中断处理)，在传输过程中 CPU 可以继续进行其他的工作。
这样在大部分时间里，CPU 计算和 I/O 操作都处于并行操作，使整个计算机系统的效率大大提高。

有了 DMA 磁盘控制器接管数据读写请求以后，CPU 从繁重的 I/O 操作中解脱，数据读取操作的流程如下：