传统IO优化方案

传统IO

背景：传统IO场景下，服务器把磁盘文件网络IO发送给客户端Socket

read(file_fd, user_buf, ...);   // 读文件到用户缓冲区
write(sock_fd, user_buf, ...);  // 从用户缓冲区写到网络

这个过程中会发生很多次内核用户态切换：

read()

• 磁盘→内核缓存（DMA读入）

DMA：Direct Memory Access 直接内存访问，让硬件自己把数据搬进/搬出内存，CPU 不用一字节一字节地搬。将CPU从繁琐的搬运工作中解放出来，主动承揽内存搬运这种苦力活。

• 内核缓冲→用户缓存（一次拷贝

write()

• 用户缓冲→内核socket缓冲（再次拷贝）

• 内核 socket 缓冲区 → 网卡（DMA 发送）

上述read()和write()都是系统调用，每次都会触发至少一次用户态↔内核态的上下文切换（进入内核/返回用户态），切换多了也耗 CPU。

所以上述传统IO最核心的开销有两种：

• 多次数据拷贝（尤其是“内核↔用户”这两次）
• 多次上下文切换（系统调用 + 内核处理）

针对传统IO的优化

针对传统IO场景，存在以下优化方式。

mmap

mmap：内存映射，让用户态进程除了堆、栈、共享内存区这些可以直接操作的内存区域外，多出了mmap 出来的用户映射区。

mmap是系统调用，用户态申请内核，内核在进程页表中建立映射，让一段用户虚拟地址 指向某些 物理页，并且通过页表权限位保证用户态只能按规则访问被指向的物理页。读文件时可能少一次显式 read 拷贝（不用 read() 把数据再拷到用户 buffer）

sendfile

sendfile : 典型的下载加速。是内核提供的“把一个文件送到另一个socket”的系统调用。用户应用发系统调用请求：“把这个文件发到这个 socket”，涉及到的数据流程在内核：页缓存 → socket → 网卡，典型用于：静态文件下载、CDN/对象存储的下行、Nginx 这类场景

方案对比

方案	用户态是否拿到文件内容	内核↔用户拷贝次数	适合场景
read + write	是	多	通用、实现简单
mmap + write	是（像访问内存）	较少/取决于用法	需要在用户态处理数据
sendfile	否	最少	纯转发下载（不改内容）

千万注意：sendfile 的零拷贝是“文件→socket”路径的优化，不是“内存→socket”的通用优化。mmap 映射出来的是给用户态读写的内存视图，不是 sendfile 的输入类型，所以“先 mmap 写、再 sendfile 发”本质是在绕路把内存伪装成文件，通常不划算；更现实的方案是 mmap + write（或直接 write）。