零拷贝之splice( )函数和tee( )函数

splice( )函数
在两个文件描述符之间移动数据，同sendfile( )函数一样，也是零拷贝。
函数原型：

#include
ssize_t splice(int fdin, loff_t *offin, int fdout, loff_t *offout, size_t len, unsigned int flags);
参数意义：

fdin参数：待读取数据的文件描述符。
offin参数：指示从输入数据的何处开始读取，为NULL表示从当前位置。如果fdin是一个管道描述符，则offin必须为NULL。
fdout参数：待写入数据的文件描述符。
offout参数：同offin，不过用于输出数据。
len参数：指定移动数据的长度。
flags参数：表示控制数据如何移动，可以为以下值的按位或：

SPLICE_F_MOVE：按整页内存移动数据，存在bug，自内核2.6.21后，实际上没有效果。
SPLICE_F_NONBLOCK：非阻塞splice操作，实际会受文件描述符本身阻塞状态影响。
SPLICE_F_MORE：提示内核：后续splice将调用更多数据。
SPLICE_F_GIFT：对splice没有效果。
fdin和fdout必须至少有一个是管道文件描述符。

返回值：

返回值>0：表示移动的字节数。
返回0：表示没有数据可以移动，如果从管道中读，表示管道中没有被写入数据。
返回-1；表示失败，并设置errno。

errno值如下：

EBADF：描述符有错。
EINVAL：目标文件不支持splice，或者目标文件以追加方式打开，或者两个文件描述符都不是管道描述符。
ENOMEM：内存不够。
ESPIPE：某个参数是管道描述符，但其偏移不是NULL。
tee( )函数
在两个管道文件描述符之间复制数据，同是零拷贝。但它不消耗数据，数据被操作之后，仍然可以用于后续操作。
函数原型：

#include
ssize_t tee(int fdin, int fdout, size_t len, unsigned int flags);
1
2
参数意义：

fdin参数：待读取数据的文件描述符。
fdout参数：待写入数据的文件描述符。
len参数：表示复制的数据的长度。
flags参数：同splice( )函数。

fdin和fdout必须都是管道文件描述符。
返回值：

返回值>0：表示复制的字节数。
返回0：表示没有复制任何数据。
返回-1：表示失败，并设置errno。

代码实例：
/splice()和tee()实现将文件”./1.txt”同时拷贝到文件”./2.txt”和”./3.txt”中/
#include
#include
#include
#include
#include

int main(){
int fd1 = open(“./1.txt”, O_RDONLY);
int fd2 = open(“./2.txt”, O_RDWR| O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
int fd3 = open(“./3.txt”, O_RDWR| O_CREAT | O_TRUNC, 0666);

/*用于向"./2.txt"输入数据*/

int pipefd2[2];

/*用于向"./3.txt"输入数据*/

int pipefd3[2];

pipe(pipefd2);

pipe(pipefd3);



/*将fd1文件的内容输入管道pipefd2中*/

splice(fd1, NULL, pipefd2[1], NULL, 10086, SPLICE_F_MORE);

/*将管道pipefd2的内容复制到管道pipefd3中，不消耗管道pipefd2上的数据，管道pipefd2上的数据可以用于后续操作*/

tee(pipefd2[0], pipefd3[1], 10086, SPLICE_F_NONBLOCK);

/*将管道pipefd2的内容写入fd2文件中*/

splice(pipefd2[0], NULL, fd2, NULL, 10086, SPLICE_F_MORE);

/*将管道pipefd3的内容写入fd3文件中*/

splice(pipefd3[0], NULL, fd3, NULL, 10086, SPLICE_F_MORE);



close(fd1);

close(fd2);

close(fd3);

close(pipefd2[0]);

close(pipefd2[1]);

close(pipefd3[0]);

close(pipefd3[1]);

return 0; } <!-- more --> pipe在linux的实现中，用的是生产者消费者的模型，在linux/pipe_fs_i.h中我们能看到一下的代码： #define PIPE_DEF_BUFFERS    16

//… struct pipe_inode_info { struct mutex mutex; wait_queue_head_t wait; unsigned int nrbufs, curbuf, buffers; unsigned int readers; unsigned int writers; unsigned int files; unsigned int waiting_writers; unsigned int r_counter; unsigned int w_counter; struct page *tmp_page; struct fasync_struct *fasync_readers; struct fasync_struct *fasync_writers; struct pipe_buffer *bufs; };

其中bufs就是一个指向管道缓冲区的指针，而管道缓冲区的结构如下：
struct pipe_buffer { struct page *page; unsigned int offset, len; const struct pipe_buf_operations *ops; unsigned int flags; unsigned long private; };

其中page是指向包含pipe buffer的页，是物理上的页地址，不是虚拟地址，这样方便进程间的通信。

在创建管道缓冲区时，会创建PIPE_DEF_BUFFERS个pipe_buffer大小的空间给bufs，也就是bufs指向一个大小是PIPE_DEF_BUFFERS的pipe_buffer数组。一个页大小是4k，那么linux的管道缓冲区大小就是64k了。
在使用管道缓冲区时，就和生产者消费者的模型一样，一边把数据写进去，另一边把数据取出来，慢时写阻塞，空时读阻塞。在写入的时候，为了效率，linux会倾向于以页为单位的写，因此缓冲区满时未必是64k的数据。

接下来就是说splice了，
#include
ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out,loff_t *off_out, size_t len, unsigned int flags);
成功返回spliced的字节数，出错-1
这个函数中，fd_in和fd_out中有一个要是管道，off_in、off_out分别是两个文件描述符的偏移，如果其对应的文件描述符不是普通文件，那么就不能有偏移量，就要设为NULL，当是NULL时，就是从文件当前位置读/写,结束后会更新偏移的位置。len就是要移动的数据，至于flags自己看manpage。

它之所以能零复制，就是利用了管道作为中介，先把数据“复制”管道，然后再从管道中读取即可：
pipe(fd_pair[2]);
splice(source_file,…,fd_pair[1],…);
splice(fd_pair[0],…,destination_file,…);
可是注意的是，其实我们并没有真的把数据复制进管道缓冲区，我们只是修改了管道缓冲区的page指针、偏移、长度，使它指向源数据的实际物理地址，然后再从管道中读出来，整个过程都没有设计用户空间和内核空间的复制，在内核中也没有多余的复制，因此是零复制（复制了一次，但术语是叫零复制）。

我们要注意用splice传送超过缓冲区64k的文件时，要更新：
while (filesize > 0) {

len = splice(sourcefd,&off_in,pipe_pair[1],NULL,filesize-off_in,SPLICE_F_MOVE); splice(pipe_pair[0], NULL,dstfd,&off_out,len, SPLICE_F_MOVE); if (len < 0) { perror(“splice”); break; }

filesize -= len;

}

还有一个tee函数，这也是一个零复制函数
#include
ssize_t tee(int fd_in, int fd_out, size_t len, unsigned int flags);
成功返回“复制”的字节数，出错-1
EINVAL fd_in or fd_out does not refer to a pipe; or fd_in and fd_out refer to the same pipe.
这个函数是用于两个不同管道之间的零复制，就相当于把两个管道连通

测试
下面是段性能比较，测试程序是这样的，读入一个文件，然后分别用read-write、mmap、splice三种方法复制这个文件，我使用的是一个300多mb的视频文件来测试，最终得到的测试结果是：
最上面的数字是真正复制所用的时间，下面的是time的输出，因为还有其他的影响，因此用户时间+系统时间！=函数工作时间
read-write:
0.820000
real 0m11.919s
user 0m0.028s
sys 0m0.996s

mmap:
0.830000
real 0m10.109s
user 0m0.312s
sys 0m0.676s

splice:
0.550000
real 0m10.643s
user 0m0.000s
sys 0m0.732s

mmap的时间居然和read-write差不多。。。不过我们可以看出用mmap的系统调用时间比read-write少30%左右，可是用户调用时间比较大，因为mmap这个操作本身就是一个消耗很大的函数，如果与要长时间使用这个文件的话，那么就可以冲淡mmap消耗。splice是最快的方法，用户调用时间很少，因为它的工作就是直接在内核完成，不需要频繁的在用户空间和内核空间之间切换。
更新：
发现mmap分段的复制比较直接复制的快，不过还是慢过splice