服务端要向客户端连接发送一个文件，一般过程如下：
  • 服务端首先调用 read() 函数读取文件内容。
  • 服务端通过调用 write()/send() 函数将文件内容发送给客户端连接。
上面过程如下图所示：
从上图可以看出，在发送文件的过程中，首先需要将文件页缓存（Page Cache）从内核态复制到用户态缓存中，然后再从用户态缓存复制到客户端的 Socket 缓冲区中。
其实在上面的过程中，复制文件数据到用户态缓存这个操作是多余的，我们完全可以直接把文件页缓存的数据复制到 Socket 缓冲区即可，这样就可以减少一次拷贝数据的操作。
为了实现这样的功能，内核提供了一个名为 splice() 的系统调用，使用 splice() 系统调用可以避免从内核态拷贝数据到用户态。
不需要将内核态的数据拷贝到用户态缓存的技术被称为：零拷贝技术。
下面我们将介绍 splice() 系统调用的原理和实现。

splice 使用实例

如果服务端要发送文件给客户端，使用 read()/write() 方式来实现的话，代码如下所示：
/**

 * 发送文件给客户端（read/write版本）

 */

intsend_file_to_client(int client_fd, char *file)
{

int
 fd;

structstatfstat;
int
 blocks, remain;

char
 buf[
4096
]; 
// 每次发送4096个字节

    fd = open(file, O_RDONLY);

if
 (fd == 
-1
) {

return-1
;

    }


    stat(file, &fstat);               
// 用于获取文件的大小
    blocks = fstat.st_size / 
4096
;    
// 需要发送的次数
    remain = fstat.st_size % 
4096
;    
// 如果文件的大小不是4096的倍数，要额外发送这些数据

for
 (i = 
0
; i < blocks; i++) {

        read(fd, buf, 
4096
);          
// 读取文件内容
        write(client_fd, buf, 
4096
);  
// 发送文件内容给客户端
    }


if
 (remain > 
0
) {

        read(fd, buf, remain);

        write(client_fd, buf, remain);

    }


return0
;

}

上面代码的流程比较简单，如下：
  • 首先通过调用 stat() 系统调用获取文件的大小。
  • 然后通过调用 read() 系统调用读取文件内容。
  • 最后通过调用 write() 系统调用将文件内容发送给客户端连接。
从上面的代码可以看出，使用 read()/write() 方式发送文件给客户端，首先需要将文件内容读到用户态缓存中，然后才能发送给客户端连接。
然而，将文件内容读取到用户态缓存这个过程是多余的，我们看看怎么使用 splice() 系统调用来避免将文件内容拷贝到用户态缓存。
使用 splice() 发送文件时，需要创建一个管道作为中转，代码如下：
/**

 * 发送文件给客户端（splice版本）

 */

intsend_file_to_client(int client_fd, char *file)
{

int
 fd;

structstatfstat;
int
 blocks, remain;

int
 pipefd[
2
];


    fd = open(file, O_RDONLY);

if
 (fd == 
-1
) {

return-1
;

    }


    stat(file, &fstat);


    blocks = fstat.st_size / 
4096
;

    remain = fstat.st_size % 
4096
;


    pipe(pipefd);  
// 创建管道作为中转

for
 (i = 
0
; i < blocks; i++) {

// 1. 将文件内容读取到管道
        splice(fd, 
NULL
, pipefd[
1
], 
NULL
, 
4096
, SPLICE_F_MOVE|SPLICE_F_MORE);

// 2. 将管道的数据发送给客户端连接
        splice(pipefd[
0
], 
NULL
, client_fd, 
NULL
, 
4096
, SPLICE_F_MOVE|SPLICE_F_MORE);

    }


if
 (remain > 
0
) {

        splice(fd, 
NULL
, pipefd[
1
], 
NULL
, remain, SPLICE_F_MOVE|SPLICE_F_MORE);

        splice(pipefd[
0
], 
NULL
, client_fd, 
NULL
, remain, SPLICE_F_MOVE|SPLICE_F_MORE);

    }


return0
;

}

从上面代码可以看出，使用 splice() 发送文件时，我们并不需要将文件内容读取到用户态缓存中，但需要使用管道作为中转（关于 管道 的原理可以参考这篇文章：《图解 | Linux进程通信 - 管道实现》）。
其实这里的管道只是作为一个通道，并不会产生数据拷贝的，如下图所示：
对比 read()/write() 版本的原理图，可以看出 splice() 版本省去了拷贝文件内容到用户态缓存这个步骤。

总结

本文主要介绍了使用 read()/write() 方式传输文件与使用 splice() 方式传输文件的原理，也提供了这两种方式的实例代码。
当然，从原理上看，使用 splice() 方式传输文件会比 read()/write() 方式性能要高。但如果真实测试这两种方式，会发现性能相差并不大。这是由于 splice() 方式虽然减少了数据拷贝过程，但是其处理逻辑比 read()/write() 方式更为复杂，所以性能提升并不理想，有兴趣的读者可以自己测试一下。
下一篇文章，我们将会介绍 splice() 的实现过程。
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关键词
系统调用
用户态
缓存
过程
内核态