对这个 fbuf 也有访问的权限对于第一种情况来说，这个保护域被称作是 fbuf 的“ originator ”；对于后一种情况来说，这个保护域被称作是 fbuf 的“ receiver ”。
传统的 Linux I/O 接口支持数据在应用程序地址空间和操作系统内核之间交换，这种交换操作导致所有的数据都需要进行拷贝。如果采用 fbufs 这种方法，需要交换的是包含数据的缓冲区，这样就消除了多余的拷贝操作。应用程序将 fbuf 传递给操作系统内核，这样就能减少传统的 write 系统调用所产生的数据拷贝开销。同样的，应用程序通过 fbuf 来接收数据，这样也可以减少传统 read 系统调用所产生的数据拷贝开销。如下图所示：
图 5. Linux I/O API
I/O 子系统或者应用程序都可以通过 fbufs 管理器来分配 fbufs。一旦分配了 fbufs，这些 fbufs 就可以从程序传递到 I/O 子系统，或者从 I/O 子系统传递到程序。使用完后，这些 fbufs 会被释放回 fbufs 缓冲区池。
fbufs 在实现上有如下这些特性，如图 9 所示：
- fbuf 需要从 fbufs 缓冲区池里分配。每一个 fbuf 都存在一个所属对象，要么是应用程序，要么是操作系统内核。fbuf 可以在应用程序和操作系统之间进行传递，fbuf 使用完之后需要被释放回特定的 fbufs 缓冲区池，在 fbuf 传递的过程中它们需要携带关于 fbufs 缓冲区池的相关信息。
- 每一个 fbufs 缓冲区池都会和一个应用程序相关联，一个应用程序最多只能与一个 fbufs 缓冲区池相关联。应用程序只有资格访问它自己的缓冲区池。
- fbufs 不需要虚拟地址重映射，这是因为对于每个应用程序来说，它们可以重新使用相同的缓冲区集合。这样，虚拟存储转换的信息就可以被缓存起来，虚拟存储子系统方面的开销就可以消除。
- I/O 子系统（设备驱动程序，文件系统等）可以分配 fbufs，并将到达的数据直接放到这些 fbuf 里边。这样，缓冲区之间的拷贝操作就可以避免。
图 6. fbufs 体系结构
前面提到，这种方法需要修改 API，如果要使用 fbufs 体系结构，应用程序和 Linux 操作系统内核驱动程序都需要使用新的 API，如果应用程序要发送数据，那么它就要从缓冲区池里获取一个 fbuf，将数据填充进去，然后通过文件描述符将数据发送出去。接收到的 fbufs 可以被应用程序保留一段时间，之后，应用程序可以使用它继续发送其他的数据，或者还给缓冲区池。但是，在某些情况下，需要对数据包内的数据进行重新组装，那么通过 fbuf 接收到数据的应用程序就需要将数据拷贝到另外一个缓冲区内。再者，应用程序不能对当前正在被内核处理的数据进行修改，基于这一点，fbufs 体系结构引入了强制锁的概念以保证其实现。对于应用程序来说，如果 fbufs 已经被发送给操作系统内核，那么应用程序就不会再处理这些 fbufs。
fbufs 存在的一些问题
管理共享缓冲区池需要应用程序、网络软件、以及设备驱动程序之间的紧密合作。对于数据接收端来说，网络硬件必须要能够将到达的数据包利用 DMA 传输到由接收端分配的正确的存储缓冲区池中去。而且，应用程序稍微不注意就会更改之前发到共享存储中的数据的内容，从而导致数据被破坏，但是这种问题在应用程序端是很难调试的。同时，共享存储这种模型很难与其他类型的存储对象关联使用，但是应用程序、网络软件以及设备驱动程序之间的紧密合作是需要其他存储管理器的支持的。对于共享缓冲区这种技术来说，虽然这种技术看起来前景光明，但是这种技术不但需要对 API 进行更改，而且需要对驱动程序也进行更改，并且这种技术本身也存在一些未解决的问题，这就使得这种技术目前还只是出于试验阶段。在测试系统中，这种技术在性能上有很大的改进，不过这种新的架构的整体安装目前看起来还是不可行的。这种预先分配共享缓冲区的机制有时也因为粒度问题需要将数据拷贝到另外一个缓冲区中去。
总结
本系列文章介绍了 Linux 中的零拷贝技术，本文是其中的第二部分。本文对第一部分文章中提出的 Linux 操作系统上出现的几种零拷贝技术进行了更详细的介绍，主要描述了它们各自的优点，缺点以及适用场景。对于网络数据传输来说，零拷贝技术的应用受到了很多体系结构方面因素的阻碍，包括虚拟存储体系结构以及网络协议体系结构等。所以，零拷贝技术仍然只是在某些很特殊的情况中才可以应用，比如文件服务或者使用某种特殊的协议进行高带宽的通信等。但是，零拷贝技术在磁盘操作中的应用的可行性就高得多了，这很可能是因为磁盘操作具有同步的特点，以及数据传输单元是按照页的粒度来进行的。
针对 Linux 操作系统平台提出并实现了很多种零拷贝技术，但是并不是所有这些零拷贝技术都被广泛应用于现实中的操作系统中的。比如，fbufs 体系结构，它在很多方面看起来都很吸引人，但是使用它需要更改 API 以及驱动程序，它还存在其他一些实现上的困难，这就使得 fbufs 还只是停留在实验的阶段。动态地址重映射技术只是需要对操作系统做少量修改，虽然不需要修改用户软件，但是当前的虚拟存储体系结构并不能很好地支持频繁的虚拟地址重映射操作。而且为了保证存储的一致性，重映射之后还必须对 TLB 和一级缓存进行刷新。事实上，利用地址重映射实现的零拷贝技术适用的范围是很小的，这是因为虚拟存储操作所带来的开销往往要比 CPU 拷贝所产生的开销还要大。此外，为了完全消除 CPU 访问存储，通常都需要额外的硬件来支持，而这种硬件的支持并不是很普及，同时也是非常昂贵的。
本系列文章的目的是想帮助读者理清这些出现在 Linux 操作系统中的零拷贝技术都是从何种角度来帮助改善数据传输过程中遇到的性能问题的。关于各种零拷贝技术的具体实现细节，本系列文章没有做详细描述。同时，零拷贝技术一直是在不断地发展和完善当中的，本系列文章并没有涵盖 Linux 上出现的所有零拷贝技术。
参考资料
学习