前言
零拷貝技術是指計算機執行操作時，CPU不需要先將數據從某處內存復制到另一個特定區域。這種技術通常用於通過網絡傳輸文件時節省CPU周期和內存帶寬。
原始的網絡請求，需要數次在用戶態和內核態之間切換以及數據的拷貝，這無疑大大影響了處理的效率，零拷貝技術就是為解決這一問題而誕生的。
我們常見的高性能組件（Netty、Kafka等），其內部基本都應用了零拷貝，在學習這些組件之前，有必要先了解什么是零拷貝。
傳統文件傳輸 read + write
DMA拷貝：指外部設備不通過CPU而直接與系統內存交換數據的接口技術
如上圖所示，傳統的網絡傳輸，需要進行4次用戶態和內核態切換，4次數據拷貝（2次CPU拷貝，2次DMA拷貝）
上下文的切換涉及到操作系統，相對CPU速度是非常耗時的，而且僅僅一次文件傳輸，竟然需要4次數據拷貝，造成CPU資源極大的浪費
不難看出，傳統網絡傳輸涉及很多冗余且無意義的操作，導致應用在高並發情況下，性能指數級下降，表現異常糟糕
為了解決這一問題，零拷貝技術誕生了，他其實是一個抽象的概念，但其本質就是通過減少上下文切換和數據拷貝次數來實現的
mmap + write
如上圖所示，mmap技術傳輸文件，需要進行4次用戶態和內核態切換，3次數據拷貝（1次CPU拷貝、兩次DMA拷貝）
相對於傳統數據傳輸，mmap減少了一次CPU拷貝，其具體過程如下：
- 應用進程調用 mmap() ，DMA 會把磁盤的數據拷貝到內核的緩沖區里，應用進程跟操作系統內核「共享」這個緩沖區
- 應用進程再調用 write()，操作系統直接將內核緩沖區的數據拷貝到 socket 緩沖區中，這一切都發生在內核態，由 CPU 來搬運數據
- 最后，把內核的 socket 緩沖區里的數據，拷貝到網卡的緩沖區里，這個過程是由 DMA 搬運的
顯然僅僅減少一次數據拷貝，依然難以滿足要求
sendfile
如上圖所屬，sendfile技術傳輸文件，需要進行2次用戶態和內核態的切換，3次數據拷貝（1次CPU拷貝、兩次DMA拷貝）
相對於mmap，其又減少了兩次上下文的切換，具體過程如下：
- 應用調用sendfile接口，傳入文件描述符，應用程序切換至內核態，並通過 DMA 將磁盤上的數據拷貝到內核緩沖區中
- CPU將緩沖區數據拷貝至Socket緩沖區
- DMA將數據拷貝到網卡的緩沖區里，應用程序切換至用戶態
sendfile其實是將原來的兩步讀寫操作進行了合並，從而減少了2次上下文的切換，但其仍然不是真正意義上的“零”拷貝
sendfile + SG-DMA
從 Linux 內核 2.4 版本開始起，對於支持網卡支持 SG-DMA 技術的情況下， sendfile() 系統調用的過程發生了點變化，如上圖所示，sendfile + SG-DMA技術傳輸文件，需要進行2次用戶態和內核態的切換，2次數據拷貝（1次DMA拷貝，1次SG-DMA拷貝）
具體過程如下：
- 通過 DMA 將磁盤上的數據拷貝到內核緩沖區里；
- 緩沖區描述符和數據長度傳到 socket 緩沖區，這樣網卡的 SG-DMA 控制器就可以直接將內核緩存中的數據拷貝到網卡的緩沖區里，此過程不需要將數據從操作系統內核緩沖區拷貝到 socket 緩沖區中，這樣就減少了一次數據拷貝；
此種方式對比之前的，真正意義上去除了CPU拷貝，CPU 的高速緩存再不會被污染了，CPU 可以去執行其他的業務計算任務，同時和 DMA 的 I/O 任務並行，極大地提升系統性能。
但他的劣勢也很明顯，強依賴於硬件的支持
splice
Linux 在 2.6.17 版本引入 splice 系統調用，不再需要硬件支持，同時還實現了兩個文件描述符之間的數據零拷貝。
splice 系統調用可以在內核空間的讀緩沖區（read buffer）和網絡緩沖區（socket buffer）之間建立管道（pipeline），從而避免了用戶緩沖區和Socket緩沖區的 CPU 拷貝操作。
基於 splice 系統調用的零拷貝方式，整個拷貝過程會發生 2次用戶態和內核態的切換，2次數據拷貝（2次DMA拷貝），具體過程如下：
- 用戶進程通過 splice() 函數向內核（kernel）發起系統調用，上下文從用戶態（user space）切換為內核態（kernel space）。
- CPU 利用 DMA 控制器將數據從主存或硬盤拷貝到內核空間（kernel space）的讀緩沖區（read buffer）。
- CPU 在內核空間的讀緩沖區（read buffer）和網絡緩沖區（socket buffer）之間建立管道（pipeline）。
- CPU 利用 DMA 控制器將數據從網絡緩沖區（socket buffer）拷貝到網卡進行數據傳輸。
- 上下文從內核態（kernel space）切換回用戶態（user space），splice 系統調用執行返回。
splice 拷貝方式也同樣存在用戶程序不能對數據進行修改的問題。除此之外，它使用了 Linux 的管道緩沖機制，可以用於任意兩個文件描述符中傳輸數據，但是它的兩個文件描述符參數中有一個必須是管道設備
總結
本文簡單介紹了 Linux 中的幾種 Zero-copy 技術，隨着技術的不斷發展，又出現了諸如：寫時復制、共享緩沖等技術，本文就不再贅述。
廣義的來講，Linux 的 Zero-copy 技術可以歸納成以下三大類：
- 減少甚至避免用戶空間和內核空間之間的數據拷貝：在一些場景下，用戶進程在數據傳輸過程中並不需要對數據進行訪問和處理，那么數據在 Linux 的
Page Cache和用戶進程的緩沖區之間的傳輸就完全可以避免，讓數據拷貝完全在內核里進行，甚至可以通過更巧妙的方式避免在內核里的數據拷貝。這一類實現一般是是通過增加新的系統調用來完成的，比如 Linux 中的 mmap()，sendfile() 以及 splice() 等。 - 繞過內核的直接 I/O：允許在用戶態進程繞過內核直接和硬件進行數據傳輸，內核在傳輸過程中只負責一些管理和輔助的工作。這種方式其實和第一種有點類似，也是試圖避免用戶空間和內核空間之間的數據傳輸，只是第一種方式是把數據傳輸過程放在內核態完成，而這種方式則是直接繞過內核和硬件通信，效果類似但原理完全不同。
- 內核緩沖區和用戶緩沖區之間的傳輸優化：這種方式側重於在用戶進程的緩沖區和操作系統的頁緩存之間的 CPU 拷貝的優化。這種方法延續了以往那種傳統的通信方式，但更靈活。