高级I/O函数之sendfile函数[通俗易懂]

全栈程序员-用户IM • 2022年5月10日下午10:20 • 未分类

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

sendfile函数在两个文件描述符之间传递数据（完全在内核中操作），从而避免了内核缓冲区和用户缓冲区之间的数据拷贝，效率很高，被称为零拷贝。函数定义为：

#include<sys/sendfile.h>
ssize_t senfile(int out_fd,int in_fd,off_t* offset,size_t count);

in_fd参数是待读出内容的文件描述符，out_fd参数是待写入内容的文件描述符。offset参数指定从读入文件流的哪个位置开始读，如果为空，则使用读入文件流默认的起始位置。count参数指定文件描述符in_fd和out_fd之间传输的字节数。

in_fd必须是一个支持类似mmap函数的文件描述符，即它必须指向真实的文件，不能是socket和管道，而out_fd必须是一个socket

首先我们来看看传统的read/write方式进行socket的传输。
当需要对一个文件进行传输的时候，具体流程细节如下：

1：调用read函数，文件数据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。

在这个过程中发生了四次copy操作。

硬盘->内核->用户->socket缓冲区（内核）->协议引擎。

而sendfile的工作原理呢？？

1、系统调用 sendfile() 通过 DMA 把硬盘数据拷贝到 kernel buffer，然后数据被 kernel 直接拷贝到另外一个与 socket 相关的 kernel buffer。这里没有用户态和核心态之间的切换，在内核中直接完成了从一个 buffer 到另一个 buffer 的拷贝。
2、DMA 把数据从 kernel buffer 直接拷贝给协议栈，没有切换，也不需要数据从用户态和核心态，因为数据就在 kernel 里。

测试代码：

#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/sendfile.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<errno.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    if(argc<=3)
    {
        printf("usage:%s ip_address port_number filename\n",basename(argv[0]));
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);
    const char* file_name = argv[3];

    int filefd = open(file_name,O_RDONLY);
    assert(filefd>0);

    struct stat stat_buf;
    fstat(filefd,&stat_buf);

    struct sockaddr_in address;

    bzero(&address,sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET,ip,&address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int sock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    assert(sock>=0);

    int ret = bind(sock,(struct sockaddr*)&address,sizeof(address));
    assert(ret!=-1);

    ret = listen(sock,5);
    assert(ret!=-1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);

    int connfd = accept(sock,(struct sockaddr*)&client,&client_addrlength);

    if(connfd<0)
    {
        printf("errno is %d\n",errno);
    }
    else 
    {
        sendfile(connfd,filefd,NULL,stat_buf.st_size);
        close(connfd);
    }
    close(sock);
    return 0;
}