浅识Linux的DMA拷贝、MMAP映射与sendfile原理

Linux的DMA拷贝、MMAP映射与sendfile原理详解

1. DMA拷贝（Direct Memory Access）

原理：
DMA（直接内存访问）是一种硬件机制，允许外设（如网卡、磁盘控制器）直接与内存交互，无需CPU参与数据拷贝。CPU仅需初始化传输参数（如源地址、目标地址、数据长度），后续传输由DMA控制器完成，从而释放CPU资源。

示例：
假设从磁盘读取文件到内存：

CPU通知磁盘控制器通过DMA传输数据到内存地址0x1000。
磁盘控制器直接操作内存总线，将数据写入0x1000，完成后通过中断通知CPU。
CPU无需逐字节拷贝数据，可并行处理其他任务。

图例：

传统拷贝：  
磁盘 → CPU寄存器 → 内存  

DMA拷贝：  
磁盘 → 内存（直接操作，无需CPU）

2. MMAP映射（Memory Mapping）

原理：
MMAP将文件直接映射到进程的虚拟地址空间，使得文件操作如同访问内存。内核通过页表将虚拟地址映射到文件对应的物理页，首次访问时触发缺页中断，由操作系统将文件内容加载到内存。

优势：

减少用户态与内核态之间的数据拷贝（如read()/write()）。
支持共享内存（多个进程映射同一文件）。

示例：

// 将文件映射到内存
int fd = open("large_file.dat", O_RDWR);
void *addr = mmap(NULL, file_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
// 直接通过指针操作文件
memcpy(addr + offset, data, len);
munmap(addr, file_size);

图例：

进程虚拟地址空间  
│                  
├─── Code          
├─── Data          
└─── Mapped File (通过页表直接关联磁盘文件)

3. sendfile系统调用

原理：
sendfile()用于在内核态直接将文件数据从文件描述符（如磁盘文件）传输到套接字，无需用户态参与。其过程如下：

文件数据通过DMA从磁盘读取到内核缓冲区（Page Cache）。
内核直接将缓冲区数据通过DMA拷贝到网卡缓冲区（NIC Buffer）。
全程无需数据经过用户态，减少2次上下文切换和1次数据拷贝。

优化：

结合scatter-gather DMA，实现“零拷贝”（Zero-Copy），无需内核缓冲区到套接字缓冲区的拷贝。

示例：

// Web服务器发送静态文件
int file_fd = open("index.html", O_RDONLY);
int socket_fd = accept(...);
sendfile(socket_fd, file_fd, NULL, file_size);

图例：

传统传输：  
磁盘 → 内核缓冲区 → 用户缓冲区 → 内核Socket缓冲区 → 网卡  

sendfile传输：  
磁盘 → 内核缓冲区 → 网卡（直接DMA传输）

4、对比总结

技术	数据拷贝次数	CPU参与度	典型场景
DMA	0（硬件完成）	仅初始化	外设与内存交互（如磁盘I/O）
MMAP	1（缺页加载）	低（内存访问）	大文件读写、进程间共享（大视频文件）
sendfile	0-1	低（系统调用）	网络文件传输（如HTTP服务器）

图示补充：

DMA拷贝：外设与内存直连，绕过CPU。
MMAP：进程虚拟地址空间直接映射到文件页。
sendfile：内核内部数据管道，避免用户态切换。

通过结合这些技术，Linux可显著提升I/O性能，降低系统开销。

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以下是 Linux 中 DMA 拷贝、MMAP 映射 和 sendfile 的具体调用方法及示例代码

5、DMA 拷贝的隐式调用

DMA 由操作系统自动管理，开发者无需直接调用 DMA 接口，但可通过标准 I/O 函数（如 read/write）隐式触发 DMA 操作。

示例：从磁盘读取文件到内存

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("data.bin", O_RDONLY); // 打开文件
    char buffer[4096];
    ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer)); // 触发DMA拷贝
    close(fd);
    return 0;
}

说明：

read 函数内部通过 DMA 将磁盘数据直接拷贝到用户态内存，无需 CPU 逐字节参与。
数据流向：磁盘 → 内核缓冲区（DMA） → 用户缓冲区。

6、MMAP 映射的显式调用

使用 mmap 系统调用将文件映射到进程内存空间，直接通过指针操作文件。

示例：修改文件内容

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDWR); // 打开可读写文件
    off_t file_size = lseek(fd, 0, SEEK_END); // 获取文件大小
    char *mapped = mmap(NULL, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); // 映射文件

    // 直接通过内存指针修改文件内容
    mapped[0] = 'A'; // 修改第一个字符为'A'
    msync(mapped, file_size, MS_SYNC); // 同步到磁盘（可选）
    munmap(mapped, file_size); // 解除映射
    close(fd);
    return 0;
}

说明：

mmap 将文件映射到虚拟内存，修改内存即修改文件（需 MAP_SHARED 标志）。
数据流向：磁盘 → 内核页缓存 → 进程虚拟内存（零拷贝）。

7、sendfile 的高效传输

使用 sendfile 系统调用在内核态直接传输文件到网络套接字，避免用户态拷贝。

示例：Web服务器发送静态文件

#include <sys/sendfile.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>

int main() {
    int file_fd = open("index.html", O_RDONLY); // 打开文件
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建TCP套接字
    // ... 绑定(bind)、监听(listen)、接受连接(accept)等操作 ...

    off_t offset = 0;
    off_t file_size = lseek(file_fd, 0, SEEK_END); // 获取文件大小
    sendfile(sock_fd, file_fd, &offset, file_size); // 直接发送文件到套接字

    close(sock_fd);
    close(file_fd);
    return 0;
}