内核态和用户态
内核态:指的是操作系统层面的资源调度,例如内存分配,进程/线程管理调度,硬件驱动,io中断等等.
用户态:指的是软件层面的,对变量的操作,运算等低权限操作,我们所有的软件都可以认为运行在用户态
用户态有着独立的虚拟地址映射,软件只能操作自身进程的变量内存. 由于软件层面也是需要去获取io数据,去创建进程线程的,这个时候,使用语言的函数调用,就会去调用系统的内核函数,从用户态转换成内核态执行.
例如以下代码:
<?php /** * Created by PhpStorm. * User: tioncico * Date: 20-7-2 * Time: 下午9:37 */ $a = 1;//用户态,只能操作该进程的内存 $b = 2; $c = $a + $b;//用户态,只调用cpu运算,并且结果保存在进程内存中 if (pcntl\_fork()) {//pcntl\_fork调用 内核 fork函数,由用户态转内核态,复制一个新的进程 echo "hello world";//用户态转内核态,从用户态获取字符串,转到内核态缓冲区并输出. } else { $data = file\_get\_contents("http://www.php20.cn"); //1:首先程序将网址等,转换成http协议头 //2:将http协议头字符串从程序缓冲区复制到系统内核socket缓冲区 //3:从socket缓冲区复制到网卡发送 //4:接收到数据之后,由网卡复制到系统内核socket缓冲区 //5:系统内核socket缓冲区复制到程序内存中,并赋值到$data }
在大部分时间,程序都会运行在用户态上,只有当程序需要获取高权限时,通过一些方法从用户态陷入到内核态执行:
- io相关操作,设置时钟指令,内存操作(申请内存,清理内存)
- 终端,异常,陷入等
- 进程/线程 管理
- 系统调用,调用硬件等
- 用户内存地址的转换,由程序地址转为物理地址映射
零拷贝
在上面,我们简单的了解了用户态和内核态的区别,在用户态中,所有的内存地址都是独立的虚拟地址,如果需要读取外部数据时,将由内核态的缓冲区复制一份到用户态内存中,例如下面的这个例子:
echo file\_get\_contents("./test.txt");//在fpm中执行
它的流程为:
1:从硬盘中读取数据到内核态缓冲区,第一次复制拷贝
2:内核态复制数据到用户态,第二次拷贝
3:用户态获取数据之后,echo 发送数据,复制数据到内核态,socket缓冲区中,第三次拷贝
4:内核态 socket缓冲区中数据复制到网卡中,转成网卡协议发送,第四次拷贝
可以看出,当我们通过http请求一个文件时,会出现4次拷贝.
为什么不直接将硬盘数据复制到用户态?
操作系统会根据读取的文件,预存储到内核态内存中,因为硬盘效率非常慢,所以当有多次相同文件读取请求时,可以将文件数据从内核态缓存中直接复制到用户态内存中,节省文件操作
零拷贝技术就是避免cpu将数据从一块存储位置拷贝到另一块位置,通过以下技术可以实现零拷贝:
mmap
mmap 可以将一个文件预加载到内核空间中,并于用户空间共享内存地址,这样就可以避免数据从内核态复制到用户态中,可节省一次拷贝.例如:
#include <sys/mman.h> /* for mmap and munmap */ #include <sys/types.h> /* for open */ #include <sys/stat.h> /* for open */ #include <fcntl.h> /* for open */ #include <unistd.h> /* for lseek and write */ #include <stdio.h> int main(int argc, char **argv) { int fd; int file_length = 0; char *mmap_address; char file_name\[\] = "/Users/tioncico/CLionProjects/cTest/1.txt"; fd = open(file\_name, O\_RDWR | O\_CREAT, S\_IRUSR | S_IWUSR);//打开文件 file\_length = lseek(fd, 0L, SEEK\_END); mmap\_address = mmap(NULL, file\_length, PROT\_READ, MAP\_SHARED, fd, 0);//mmap映射文件地址 printf("%s",mmap_address);//假设这里是发送数据 close(fd); munmap(mmap\_address,file\_length); return 0; }
它的流程为:
1:首先将磁盘文件数据读取 file_length 大小(注意,mmap这边大小应该为内核空间数据页大小的倍数,例如4k*2) 到内核空间中.第一次拷贝
2:通过mmap,将内核空间地址映射到用户态地址
3:通过printf(假设是socket网卡发送). 将内核框架数据拷贝到socket缓冲区,第二次拷贝
4:socket缓冲区数据复制到网卡中,第三次拷贝
sendfile
#include<sys/sendfile.h> ssize\_t senfile(int out\_fd,int in\_fd,off\_t* offset,size_t count);
使用 sendfile函数流程为:
1:首先读取磁盘文件,将数据读取拷贝到内核空间中 ,第一次拷贝
2:将内核空间的内存地址以及偏移量传输到socket缓冲区中
3:socket直接从内核空间读取数据
4:将内核空间的数据通过socket复制到网卡中,第二次拷贝
sendfile只能实现文件->socket,不能由socket到文件