作業系統和 Web 伺服器那點事兒
作業系統老大
又一個程序啟動了，作業系統老大嘆了一口氣，畢竟自己的肩頭又多了一份責任。
讓人煩惱的是，新來的傢伙們很無知，幾乎就是一張白紙。有些老實本分的會按照自己的規矩來做事，有些刺頭兒喜歡問這問那，時不時還想搞點非法的訪問，想訪問別的程序的地址空間，甚至想訪問核心的程式碼和資料！ 這時候，我只有把他kill掉祭天，留下一個core dump的屍體讓碼農們去分析。
規矩很重要！
想到此處，老大又看了一眼自己的核心空間，這個機器只有可憐巴巴的4G記憶體，0-3G給各個程序共享使用，自己獨佔了從3G-4G的記憶體空間。
新啟動的程序是一個Web伺服器，自稱小W，這是個喜歡問問題的傢伙，他第一個問題就是： ”老大，你為啥不和群眾打成一片，反而自己要獨佔空間呢？“
“這是為你們好？”
“為我們好？ ”
“計算機的硬體資源是有限的，硬碟、記憶體、網絡卡，鍵盤，滑鼠，時鐘...... 如果任由你們這些程序隨意訪問，大家你爭我搶，豈不亂套？”
“再說了，那些底層的硬體、驅動操作是極其麻煩的，讓你們每個程序都去寫那些‘噁心’的程式碼，你們受得了嗎？ “
”還有，如果某個惡意的傢伙故意搗亂，那還了得？”
老大的三連問簡直是振聾發聵， 小W立刻覺得氣短了三分。
“所以你就不讓我們直接訪問了？”
“對啊，我就做了一個 抽象層 ，你們必須通過這個抽象層來訪問硬體資源。這個抽象層之下就是我的 核心 ，是我的程式碼和資料，所以我必須得單獨居住，不能和你們混在一起。”
系統呼叫
“那我想訪問一個硬碟上的檔案，到底該怎麼辦？” 小W問道。
“非常簡單，我的抽象層中有對外提供的介面，叫做 系統呼叫 ，例如read、open、close等。 你可以open 一個檔案，read它的內容，讀完了close。”
“聽起來好像是函式呼叫啊！”
“對，就是函式呼叫，但是和你內部的函式呼叫有本質的不同，這種系統呼叫會讓你從 使用者態切換到核心態， 也就是到我的核心程式碼中來執行！”
小W懵懂地點點頭，似乎明白了。
他應該沒有明白，他也明白不了， 作業系統老大心裡想，系統呼叫之複雜遠遠超過他的想象。
首先所有Linux的系統呼叫的引數都是通過暫存器而不是棧來傳遞的，按照慣例暫存器EAX儲存了系統呼叫的編號（例如1表示exit這個系統呼叫，2表示fork,3表示read......），暫存器EBX,ECX,EDX,ESI,EDI可以包含最多6個任意的引數。
比如： write(1,"hello",5);
這就是個系統呼叫， 就是向stdout(控制檯)輸出一個字串，在執行時，必須把暫存器給設定好：
EAX = 4 (4表示系統呼叫的編號)
EBX = 1 (1 表示stdout)
ECX = 那個字串的地址
EDX = 字串的長度
然後呼叫int 0x80 系統中斷，這就進入了核心， 我會取出EAX， 從一個核心的表格中查到第4號對應的系統呼叫處理程式來執行。
對了，我還需要把CPU的特權等級從3置為0，表示核心態。
看看，我容易嗎我！ 作業系統心裡略微有點傷感。
read 和 write
這時候小W探出頭來，興奮地說：“hi ，老大，有客戶要訪問咱們硬碟的檔案，我得讀取一下，然後通過socket發出去。是不是需要系統呼叫了？”
“那是肯定的，訪問檔案系統必須得通過我，訪問socket也得通過我，不用系統呼叫怎麼可能？ 除去open ,close， 你需要兩個關鍵的系統呼叫：”
// 從檔案（用fd表示）中讀取len長度的內容，放到buffer中
read(fd, buffer, len);
// 把buffer中長度為len 的內容寫入到socket中(用sockfd表示)
write(sockfd, buffer, len);
（注： read和write 應該是sys_read和sys_write的“包裹”函式，我們這裡簡化，認為就是直接的函式呼叫。）
“好滴！” 小W做了一些準備工作，然後便開始read， 然後滿心歡喜地等待資料的到來。
作業系統收到read呼叫，陷入核心，正式進入了核心態，然後毫不客氣地暫停了小W的執行，讓他進入了阻塞佇列（假設小W只有一個執行緒）。
小W表示不滿：“怎麼不讓我運行了？”
“讀取檔案太慢，你先歇會兒，資料來了會通知你的。”
老大使用DMA（Direct Memory Access）的方式把檔案的資料從硬碟複製到了核心的緩衝區， 然後又複製到了使用者的緩衝區，read呼叫完成，返回使用者態 ，小W可以繼續執行了。
小W要通過socket傳送資料，於是又發出了write呼叫，再次陷入核心，進入核心態。
老大把資料又從使用者緩衝區複製到socket緩衝區， write呼叫返回，返回使用者態。
小W問道：“這次這麼快就返回了？資料發出去沒有啊？”
老大說：“這就不用你操心了，網絡卡驅動會在合適的時候傳送的，這是個非同步的操作。”
小W畫了一張圖，試圖理解整個過程，等他把圖畫完，不由得咂舌：“嘖嘖，這麼兩個簡單的系統呼叫，代價竟然如此之高啊。”
(1) 需要進入核心態兩次，返回兩次。
(2) 資料居然發生了三次複製，硬碟-->核心緩衝區-->使用者緩衝區-->socket緩衝區
如果說第一次從硬碟到核心緩衝區必不可少，後面的兩次就太浪費了。
老大說：“你看到了吧，系統呼叫的開銷很大啊，以後要少點呼叫啊。”
小W說：“我覺得你這個核心雖然保護了硬體，但是導致效率很低啊，能不能優化一下，省去使用者態<-->核心態之間的資料複製？ 這太浪費了！”
sendfile
老大哈哈一笑， 說道： “我早就料到了這一層，我這裡還有個系統呼叫，叫做sendfile，你可以試試啊，通過這個系統呼叫，可以直接把檔案內容發給socket。 ”
sendfile(socket, file, len);
小W一看，不錯啊，自己只需要呼叫sendfile，進入核心態一次就可以了，老大可以把資料從硬碟複製到核心緩衝區，然後直接複製到socket緩衝區， 完全不用自己介入，就用它了！
可是轉念一想，這從核心緩衝區到socket緩衝區的複製有必要嗎？ 那個網絡卡驅動不能直接從核心緩衝區讀資料嗎？
老大似乎看穿了小W的心思，說道：“我知道你在想啥，放心吧， 我早就做了優化了，不會把資料從核心緩衝區複製到socket緩衝區，相反，我只會把一些 位置和資料長度等資訊 複製過去，很省事的。網絡卡驅動可以直接從核心緩衝區讀去資料。”
小W放心了，開始使用這種sendfile的方式，果然，效能大為提升！
這其實就是所謂的 zero copy 技術， 從核心角度看，除了把檔案從硬碟讀出來之外，沒有任何的額外copy。
zero copy技術減少了上下文的切換，避免了資料不斷地在使用者態和核心態搬運，不需要CPU參與資料的複製，提高了系統性能，在ngnix, apache等web 伺服器中都引入了zero copy技術。
（完）