linux内核系统调用--sendfile函数

在apache，nginx，lighttpd等webserver其中，都有一项sendfile相关的配置，在一些网上的资料都有谈到sendfile会提升文件传输性能，那sendfile究竟是什么呢？它的原理又是怎样呢？



在传统的文件传输里面（read/write方式），在实现上事实上是比較复杂的，须要经过多次上下文的切换，我们看一下例如以下两行代码：

1. read(file, tmp_buf, len);
2. write(socket, tmp_buf, len);

以上两行代码是传统的read/write方式进行文件到socket的传输。



当须要对一个文件进行传输的时候，其详细流程细节例如以下：

1、调用read函数，文件数据被copy到内核缓冲区

2、read函数返回，文件数据从内核缓冲区copy到用户缓冲区

3、write函数调用，将文件数据从用户缓冲区copy到内核与socket相关的缓冲区。

4、数据从socket缓冲区copy到相关协议引擎。

一般来说一个网络应用是通过读硬盘数据，然后写数据到 socket 来完毕网络传输的。上面2行用代码解释了这一点，只是上面2行简单的代码掩盖了底层的非常多操作。来看看底层是怎么运行上面2行代码的：

1、系统调用 read() 产生一个上下文切换：从 user mode 切换到 kernel mode，然后 DMA 运行拷贝，把文件数据从硬盘读到一个 kernel buffer 里。

2、数据从 kernel buffer 复制到 user buffer，然后系统调用 read() 返回，这时又产生一个上下文切换：从kernel mode 切换到 user mode。

3、系统调用 write() 产生一个上下文切换：从 user mode 切换到 kernel mode，然后把步骤2读到 user buffer 的数据复制到 kernel buffer（数据第2次复制到 kernel buffer），只是这次是个不同的 kernel buffer，这个 buffer 和 socket 相关联。

4、系统调用 write() 返回，产生一个上下文切换：从 kernel mode 切换到 user mode（第4次切换了），然后 DMA 从 kernel buffer 拷贝数据到协议栈（第4次拷贝了）。

上面4个步骤有4次上下文切换，有4次拷贝，我们发现假设能降低切换次数和拷贝次数将会有效提升性能。在kernel 2.0+ 版本号中，系统调用 sendfile() 就是用来简化上面步骤提升性能的。sendfile() 不但能降低切换次数并且还能降低拷贝次数。

以上细节是传统read/write方式进行网络文件传输的方式，我们能够看到，在这个过程其中，文件数据实际上是经过了四次copy操作：

硬盘—>内核buf—>用户buf—>socket相关缓冲区—>协议引擎



而sendfile系统调用则提供了一种降低以上多次copy，提升文件传输性能的方法。Sendfile系统调用是在2.1版本号内核时引进的：

1. sendfile(socket, file, len);

执行流程例如以下：

1、sendfile系统调用，文件数据被copy至内核缓冲区

2、再从内核缓冲区copy至内核中socket相关的缓冲区

3、最后再socket相关的缓冲区copy到协议引擎



相较传统read/write方式，2.1版本号内核引进的sendfile已经降低了内核缓冲区到user缓冲区，再由user缓冲区到socket相关缓冲区的文件copy，而在内核版本号2.4之后，文件描写叙述符结果被改变，sendfile实现了更简单的方式，系统调用方式仍然一样，细节与2.1版本号的不同之处在于，当文件数据被拷贝到内核缓冲区时，不再将全部数据copy到socket相关的缓冲区，而是只将记录数据位置和长度相关的数据保存到socket相关的缓存，而实际数据将由DMA模块直接发送到协议引擎，再次降低了一次copy操作。