sendfile系统调用及示例

好的，我们继续学习 Linux 系统编程中的重要函数。这次我们介绍 sendfile 函数，它是一个高效的系统调用，用于在两个文件描述符之间直接传输数据，通常用于将文件内容发送到网络套接字，而无需将数据从内核空间复制到用户空间再复制回内核空间。

1. 函数介绍

sendfile 是一个 Linux 系统调用，旨在优化数据传输操作，特别是从一个文件描述符读取数据并将其写入到另一个文件描述符的场景。它最典型的用例是 Web 服务器将静态文件（如 HTML, CSS, JS, 图片）发送给客户端。

传统上，要完成这样的操作，程序需要：

  1. 调用 read() 从文件（例如磁盘）读取数据到用户空间的缓冲区。
  2. 调用 write() 将用户空间缓冲区的数据写入套接字（网络）。

这种方式涉及多次数据拷贝：磁盘 -> 内核缓冲区 -> 用户缓冲区 -> 内核套接字缓冲区 -> 网络。

sendfile 通过让内核直接在内核空间中完成数据从源文件描述符到目标文件描述符的传输，避免了用户空间和内核空间之间的数据拷贝，从而大大提高了效率，减少了 CPU 的使用。这被称为**零拷贝 **(Zero-Copy) 技术。

你可以把它想象成一个“传送带”：

  • 传统方式：东西从传送带 A 拿下来 -> 放到卡车 -> 再放到传送带 B。
  • sendfile：东西直接从传送带 A 转移到传送带 B，无需经过卡车（用户空间）。

2. 函数原型

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

注意: sendfile 最初是 Linux 特有的，但后来被其他一些系统（如 Solaris）采用。在某些系统上，可能需要定义特定的宏（如 _GNU_SOURCE）才能使用。

3. 功能

  • 高效传输: 在内核内部直接将数据从 in_fd（输入文件描述符）传输到 out_fd（输出文件描述符）。
  • 减少拷贝: 避免了将数据拷贝到用户空间缓冲区的步骤。
  • 减少系统调用: 一次 sendfile 调用可以完成原本需要多次 read/write 调用才能完成的工作。

4. 参数

  • int out_fd: 输出文件描述符。这是数据要被写入的目标。
    • 通常是一个**套接字 **(socket) 文件描述符，例如通过 socket() 和 accept() 获得的。
    • 在较新的 Linux 内核（2.6.33+）中，out_fd 也可以是普通文件。
  • int in_fd: 输入文件描述符。这是数据要被读取的源。
    • 通常是一个**普通文件 **(regular file) 的文件描述符，例如通过 open() 获得的。
    • 必须支持 mmap-like 语义，因此不能是套接字、管道等。
  • off_t *offset: 一个指向 off_t 类型变量的指针，该变量指定从 in_fd 的何处开始读取数据。
    • 如果 offset 为 NULL：从 in_fd 当前的文件偏移量开始读取，并且读取后该偏移量会相应更新。
    • 如果 offset 非 NULL：从 *offset 指定的字节位置开始读取。重要：在这种情况下，in_fd 的文件偏移量不会被修改，而 *offset 的值会在 sendfile 返回时被更新为新的偏移量（即 *offset = *offset + number of bytes sent）。
  • size_t count: 指定要传输的最大字节数。

5. 返回值

  • 成功时: 返回实际传输的字节数（0 <= 返回值 <= count）。
    • 如果返回值为 0，通常表示在 offset 处已经到达输入文件的末尾。
  • 失败时: 返回 -1，并设置全局变量 errno 来指示具体的错误原因（例如 EBADF 文件描述符无效，EINVAL 参数无效，ENOMEM 内存不足，EIO I/O 错误等）。

6. 相似函数，或关联函数

  • splice: 另一个零拷贝的数据传输函数，功能更强大，可以在任意两个可 pipe 的文件描述符之间传输数据。
  • tee: 用于在两个管道之间复制数据，而不消耗数据。
  • read / write: 传统的数据传输方式，涉及用户空间拷贝。
  • mmap / write: 另一种零拷贝方法，先将文件映射到内存，然后写入套接字。sendfile 通常更简单高效。
  • copy_file_range: (Linux 4.5+) 用于在两个文件描述符之间复制数据，类似于 sendfile，但功能略有不同。

7. 示例代码

示例 1：使用 sendfile 发送文件到套接字 (简化版 HTTP 服务器片段)

这个例子演示了 Web 服务器如何使用 sendfile 高效地将文件内容发送给客户端。

// 注意：这是一个简化的示例，缺少完整的 HTTP 解析、错误处理等。
// 编译时需要链接网络库: gcc -o sendfile_server sendfile_server.c#include <sys/sendfile.h>  // sendfile
#include <sys/socket.h>    // socket, bind, listen, accept, send, recv
#include <sys/stat.h>      // fstat
#include <fcntl.h>         // open
#include <netinet/in.h>    // sockaddr_in
#include <arpa/inet.h>     // inet_addr
#include <unistd.h>        // close, fstat
#include <stdio.h>         // perror, printf
#include <stdlib.h>        // exit
#include <string.h>        // strstr, strlen#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024void send_http_response(int client_sock, const char *status_line, const char *headers) {char response[BUFFER_SIZE];int len = snprintf(response, sizeof(response), "%s\r\n%s\r\n", status_line, headers);if (len > 0 && len < sizeof(response)) {send(client_sock, response, len, 0);}
}int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int addrlen = sizeof(address);int file_fd;struct stat file_stat;off_t offset;ssize_t bytes_sent;// 1. 创建套接字文件描述符if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 配置服务器地址address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(PORT);// 3. 绑定套接字if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("bind failed");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 4. 监听if (listen(server_fd, 3) < 0) {perror("listen");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server listening on port %d\n", PORT);// 5. 接受客户端连接 (这里简化为处理一个连接)if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {perror("accept");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("Client connected.\n");// 6. 简单读取客户端请求 (假设是 GET / HTTP/1.1)char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE - 1);printf("Received request:\n%s\n", buffer);// 7. 简单解析，检查是否请求根路径 "/"if (strstr(buffer, "GET / ") != NULL) {const char *filename = "index.html"; // 假设服务器根目录下有 index.html// 8. 打开要发送的文件file_fd = open(filename, O_RDONLY);if (file_fd == -1) {perror("open file");const char *not_found = "HTTP/1.1 404 Not Found\r\nContent-Length: 0\r\n\r\n";send(new_socket, not_found, strlen(not_found), 0);close(new_socket);close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 9. 获取文件状态 (主要是大小)if (fstat(file_fd, &file_stat) == -1) {perror("fstat");close(file_fd);close(new_socket);close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 10. 发送 HTTP 响应头char headers[BUFFER_SIZE];snprintf(headers, sizeof(headers),"HTTP/1.1 200 OK\r\n""Content-Type: text/html\r\n""Content-Length: %ld\r\n""\r\n",(long)file_stat.st_size);send(new_socket, headers, strlen(headers), 0);printf("Sent HTTP headers.\n");// 11. 使用 sendfile 发送文件内容offset = 0;ssize_t remaining = file_stat.st_size;while (remaining > 0) {// sendfile 可能不会一次发送完所有数据bytes_sent = sendfile(new_socket, file_fd, &offset, remaining);if (bytes_sent == -1) {perror("sendfile");break;}remaining -= bytes_sent;printf("Sent %zd bytes, %zd bytes remaining.\n", bytes_sent, remaining);}if (remaining == 0) {printf("File sent successfully using sendfile.\n");} else {printf("Error or incomplete transfer.\n");}close(file_fd);} else {// 处理其他请求或发送 404const char *not_found = "HTTP/1.1 404 Not Found\r\nContent-Length: 0\r\n\r\n";send(new_socket, not_found, strlen(not_found), 0);}// 12. 关闭连接和服务器套接字close(new_socket);close(server_fd);printf("Connection closed.\n");return 0;
}

代码解释:

  1. 创建、绑定、监听 TCP 套接字，建立一个简单的服务器。
  2. 接受一个客户端连接。
  3. 读取客户端的 HTTP 请求（简化处理）。
  4. 检查请求是否为 GET /。
  5. 如果是，打开服务器上的 index.html 文件。
  6. 使用 fstat 获取文件大小。
  7. 构造并发送 HTTP 响应头（包含 Content-Length）。
  8. 关键步骤: 使用 sendfile 将文件内容发送到客户端套接字。
    • new_socket: 输出文件描述符（套接字）。
    • file_fd: 输入文件描述符（文件）。
    • &offset: 指向 off_t 变量的指针，用于跟踪文件读取位置。初始为 0。
    • file_stat.st_size: 要传输的总字节数。
  9. sendfile 可能不会一次性传输所有请求的字节，因此使用 while 循环确保整个文件都被发送。
  10. 在循环中更新 remaining 字节数。
  11. 最后关闭文件和套接字。
示例 2：使用 sendfile 复制文件 (out_fd 为普通文件)

这个例子演示了在较新内核（Linux 2.6.33+）中，如何使用 sendfile 在两个普通文件之间复制数据。

#define _GNU_SOURCE // 启用 GNU 扩展以使用 sendfile 的新特性
#include <sys/sendfile.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {const char *source_filename = "source_file.txt";const char *dest_filename = "dest_file_copy.txt";int src_fd, dest_fd;struct stat stat_buf;ssize_t total_bytes = 0;ssize_t bytes_sent;off_t offset = 0;// 1. 创建并写入源文件src_fd = open(source_filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (src_fd == -1) {perror("open source file for writing");exit(EXIT_FAILURE);}const char *data = "This is the content of the source file.\nIt has multiple lines.\n";if (write(src_fd, data, strlen(data)) == -1) {perror("write to source file");close(src_fd);exit(EXIT_FAILURE);}close(src_fd);printf("Created source file '%s'.\n", source_filename);// 2. 打开源文件 (只读)src_fd = open(source_filename, O_RDONLY);if (src_fd == -1) {perror("open source file for reading");exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 获取源文件大小if (fstat(src_fd, &stat_buf) == -1) {perror("fstat source file");close(src_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 4. 创建/打开目标文件 (写入/创建/截断)dest_fd = open(dest_filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (dest_fd == -1) {perror("open destination file");close(src_fd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("Copying '%s' to '%s' using sendfile...\n", source_filename, dest_filename);// 5. 使用 sendfile 复制数据// 注意：在旧内核上，这可能会失败，因为 out_fd 不是套接字while (total_bytes < stat_buf.st_size) {// 计算本次要发送的字节数 (防止溢出)size_t count = stat_buf.st_size - total_bytes;if (count > 0x7ffff000) { // sendfile 一次传输上限 (约 2GB)count = 0x7ffff000;}bytes_sent = sendfile(dest_fd, src_fd, &offset, count);if (bytes_sent == -1) {perror("sendfile");// 可能是内核不支持普通文件作为 out_fdif (errno == EINVAL) {printf("Error: sendfile likely doesn't support copying between regular files on this system/kernel.\n");printf("Consider using splice or standard read/write loop instead.\n");}close(src_fd);close(dest_fd);exit(EXIT_FAILURE);}total_bytes += bytes_sent;printf("Copied %zd bytes in this call, total: %zd/%ld\n",bytes_sent, total_bytes, (long)stat_buf.st_size);}printf("File copy completed successfully. %zd bytes copied.\n", total_bytes);// 6. 清理close(src_fd);close(dest_fd);return 0;
}

代码解释:

  1. 首先创建一个名为 source_file.txt 的源文件并写入一些内容。
  2. 以只读模式打开源文件，并使用 fstat 获取其大小。
  3. 以写入、创建、截断模式打开（或创建）目标文件 dest_file_copy.txt。
  4. 进入 while 循环，使用 sendfile(dest_fd, src_fd, &offset, count) 将数据从源文件传输到目标文件。
  5. 关键: out_fd 是目标文件的描述符，这需要 Linux 内核 2.6.33 或更高版本的支持。在不支持的旧内核上，sendfile 会返回 -1，并将 errno 设置为 EINVAL。
  6. 循环直到复制完整个文件。
  7. 最后关闭两个文件描述符。

重要提示与注意事项:

  1. 零拷贝优势: sendfile 的主要优势在于减少了数据在内核空间和用户空间之间的拷贝次数，降低了 CPU 开销，提高了吞吐量。
  2. 适用范围:
    • 经典用法: in_fd 是文件，out_fd 是套接字。这在所有支持 sendfile 的 Linux 版本上都有效。
    • 扩展用法: in_fd 和 out_fd 都可以是普通文件（Linux 2.6.33+）或一个文件一个套接字。
  3. 非阻塞 I/O: sendfile 在处理非阻塞套接字时，如果套接字缓冲区已满，sendfile 可能会传输部分数据并返回，或者根据平台行为阻塞或返回错误（如 EAGAIN）。需要正确处理返回值。
  4. 传输限制: 一次 sendfile 调用传输的字节数可能有限制（历史上是 0x7ffff000 字节）。对于大文件，可能需要循环调用。
  5. offset 参数: 理解 offset 为 NULL 和非 NULL 时的行为差异非常重要。使用非 NULL offset 可以实现线程安全的文件传输，因为不修改文件自身的偏移量。
  6. 错误处理: 始终检查 sendfile 的返回值。除了常见的错误码，还要特别注意 EINVAL，它可能表示不支持的操作（如旧内核上文件到文件的复制）。
  7. 现代替代: splice 和 copy_file_range 是 sendfile 的现代替代或补充，提供了更灵活的数据传输能力。

总结:

sendfile 是一个强大的系统调用，通过利用内核的零拷贝机制，显著提高了文件到套接字（以及文件到文件）的数据传输效率。理解其参数（特别是 offset）和返回值对于正确使用它至关重要。在编写高性能网络服务器或需要高效文件操作的程序时，sendfile 是一个非常有价值的工具。

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