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jack：最近聽說了網路處理的「零拷貝」技術，覺得非常神奇，在網上查閱了很多資料。不過，並不是太明白——知其然，而不知其所以然。你能通俗地解釋一下嗎？
我：這是乙個相對比較複雜的話題，說起來話就多了。本質上來說，其實就是80386的分頁管理變異而已。
jack：分頁管理？這個跨度有點大，穿越了。
我：你覺得穿越，是因為你基礎不過關。基礎不過關，看技術就像看天書。如果你「本源技術」學得很好，那些看是玄妙的技巧，一眼就可以看破。
jack：為什麼說「零拷貝」技術的本質是80386的分頁管理變異的呢？
我：我們先說一說，零拷貝技術的本質是什麼吧。當乙個網路資料報通過網絡卡進入核心，然後再進入使用者空間的時候，至少會經過2次data copy。不要小看兩次data copy——網際網路行業的網路伺服器的cpu資源80%都消耗在這2次資料copy上去了，基本上別的事情都做不了。而事實上，這樣的資料拷貝完全是沒有必要的——這個資料報從網絡卡到核心再到使用者空間，這個拷貝的過程僅僅起到了「傳輸」的作用，而資料報內容沒有任何變化。零拷貝技術正是解決這兩次拷貝。它能讓兩次拷貝完全消除，一次都不拷貝。
jack：消除這兩次拷貝的關鍵點在**呢？
我：這裡需要分開討論。第一次資料拷貝發生在「網絡卡到核心」。網絡卡到核心這種說法算是比較邊緣性的。專業一點的說法是，外部裝置到主儲存器的資料傳輸。這個概念聽著熟悉吧？
jack：是的。這讓我想起了外部裝置到主存的三種資料傳輸方式——輪詢、中斷、dma。其中輪詢太齪了，基本上沒有實用價值，而dma適合在資料傳輸比較大的情況下使用，而且需要該外部裝置支援。一般情況下，中斷的方式用得比較多。
我：是的。中斷是作業系統的神經中樞。不過，如果要實現零拷貝技術，這個網絡卡一定要採用dma技術。
jack：為什麼呢？即便採用了dma技術，資料任然要從網絡卡拷貝到主存，並不能算作「零拷貝」。
我：是的。使用dma技術，仍然需要把資料從網絡卡拷貝到主存——但是，拷貝的過程中，cpu是完全不需要參與的。既然cpu不參與，就不會有任何cpu資源消耗，data copy帶來的損耗就可以避免開了，所以這一層的data copy就被cut了。
jack：明白了。那核心到使用者空間的資料拷貝是怎麼消除的呢？
我：我先不回答這乙個問題。我先問乙個問題，資料如何從核心拷貝到使用者空間呢？
jack：從cpu層面來說，核心與使用者空間處於不同的段（segment），段間資料拷貝，必須要有乙個起中轉作用的段暫存器參與才行。
我：是的。386cpu有fs暫存器充當這樣的角色。
jack：但是，如何才能實現段間資料共享呢？
我：從cpu的記憶體管理的角度來說，這是不可能實現的。intel的設計就是段與段間分隔開來，每個段有自己的儲存空間、屬性等。
jack：那從cpu的記憶體管理的角度來說，「零拷貝」豈不是完全不能實現？
我：是的。不僅不能實現，「零拷貝」的思想與作業系統核心的設計思想、cpu的設計思想是完全背道而馳的，屬於妖孽那一類。
jack：不要賣關子了。直接說吧，linux核心是如何做到「零拷貝」的呢？
我：消除從linux核心到使用者空間的資料拷貝的關鍵點在於80386的虛擬記憶體機制——這是cpu層面的技術，並不是作業系統層面的技術。從linux核心的設計角度來講，它天生就認為從網絡卡到核心到使用者空間的2次資料拷貝是必須的，拷貝了兩次才是完整的（儘管做了無用功、在網路流量比較大的情況下效能低下，但是站在linux核心的角度，它就要這麼做）。而「零拷貝」技術正是打破了作業系統的設計理念，妖孽了一把，從cpu層面打破linux核心與使用者空間的阻隔，使其記憶體共享。
jack：cpu的這種功能具體是什麼呢？
我：就是80386的虛擬記憶體管理與分頁機制的組合。虛擬記憶體可以通過頁目錄、頁表對映到物理記憶體位址，也可以直接對映到物理磁碟上（的檔案）去。關鍵點就在這裡了。既然虛擬記憶體可以對映到檔案上去，而檔案又是多個程序共享的（不用區分核心與使用者程序），核心的某一塊記憶體區域對映到乙個檔案，而使用者程序（server程序）又關聯到這乙個檔案，那麼這個使用者程序（server程序）就可以直接操作linux核心的某塊記憶體區域了。如果核心中的這塊記憶體區域再被設定為網絡卡dma對映的記憶體區，「零拷貝」也就實現了。
jack：linux為這種作業系統設計了api嗎？
我：有的。mmap（）就是做這個事兒的。而實際上，unix程序間通訊的「共享記憶體」方式，其本質原理，也是這個。
jack：明白了，作為乙個作業系統核心，其設計理念勢必把核心與使用者程序區分開來，而各個使用者程序的記憶體區域也必然是互相隔離的。這樣，才是真正的程序的概念。程序間需要通訊，最「正當」的方式是在核心區域構建相應的資料結構，某程序需要通訊就通過系統呼叫進入核心區域，修改**，然後通知到需要通訊的程序。被通知的程序通過系統呼叫進入核心空間，通訊完成。如果程序間需要進行資料傳輸，只能先通過a程序傳輸到核心，然後再從核心傳輸到b程序，期間必然發生至少2次資料拷貝。
我：是的。
jack：但是。「共享記憶體」與mmap本質上借用了80386的虛擬記憶體管理模式，打破了作業系統的設計思想。而mmap其實是共享記憶體的一般使用模式。
我：是的。能說出「而mmap其實是共享記憶體的一般使用模式」這樣的話，說明你把握到關鍵點了。
網絡卡的零拷貝理解
jack 最近聽說了網路處理的 零拷貝 技術，覺得非常神奇，在網上查閱了很多資料。不過，並不是太明白 知其然，而不知其所以然。你能通俗地解釋一下嗎？我 這是乙個相對比較複雜的話題，說起來話就多了。本質上來說，其實就是80386的分頁管理變異而已。jack 分頁管理？這個跨度有點大，穿越了。我 你覺得...
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