零拷貝
零拷貝是指計算機執行IO操作時，CPU不需要將數據從一個存儲區域復制到另一個存儲區域，從而可以減少上下文切換以及CPU的拷貝時間。它是一種I/O操作優化技術。
傳統 IO 的執行流程
傳統的IO流程，包括read和write的過程。
- read：把數據從磁盤讀取到內核緩沖區，再拷貝到用戶緩沖區
- write：先把數據寫入到socket緩沖區，最后寫入網卡設備。
文件下載舉例：
1、用戶應用進程調用read函數，向操作系統發起IO調用，上下文從用戶態轉為內核態（切換1）
2、DMA控制器把數據從磁盤中，讀取到內核緩沖區。
3、CPU把內核緩沖區數據，拷貝到用戶應用緩沖區，上下文從內核態轉為用戶態（切換2），read函數返回
4、用戶應用進程通過write函數，發起IO調用，上下文從用戶態轉為內核態（切換3）
5、CPU將用戶緩沖區中的數據，拷貝到socket緩沖區
6、DMA控制器把數據從socket緩沖區，拷貝到網卡設備，上下文從內核態切換回用戶態（切換4），write函數返回
傳統IO的讀寫流程，包括了4次上下文切換（4次用戶態和內核態的切換），4次數據拷貝（兩次CPU拷貝以及兩次的DMA拷貝)。
零拷貝實現方式：
零拷貝並不是沒有拷貝數據，而是減少用戶態/內核態的切換次數以及CPU拷貝的次數。零拷貝一般有這三種實現方式：
• mmap+write
• sendfile
• 帶有DMA收集拷貝功能的sendfile
mmap+write
mmap就是用了虛擬內存這個特點，它將內核中的讀緩沖區與用戶空間的緩沖區進行映射，以減少數據拷貝次數！
1、用戶進程通過mmap方法向操作系統內核發起IO調用，上下文從用戶態切換為內核態。
2、CPU利用DMA控制器，把數據從硬盤中拷貝到內核緩沖區。
3、上下文從內核態切換回用戶態，mmap方法返回。
4、用戶進程通過write方法向操作系統內核發起IO調用，上下文從用戶態切換為內核態。
5、CPU將內核緩沖區的數據拷貝到的socket緩沖區。
6、CPU利用DMA控制器，把數據從socket緩沖區拷貝到網卡，上下文從內核態切換回用戶態，write調用返回。
mmap+write實現的零拷貝，I/O發生了4次用戶空間與內核空間的上下文切換，以及3次數據拷貝（包括了2次DMA拷貝和1次CPU拷貝）。
sendfile
sendfile表示在兩個文件描述符之間傳輸數據，它是在操作系統內核中操作的，避免了數據從內核緩沖區和用戶緩沖區之間的拷貝操作。
1、用戶進程發起sendfile系統調用，上下文（切換1）從用戶態轉向內核態
2、DMA控制器，把數據從硬盤中拷貝到內核緩沖區。
3、CPU將讀緩沖區中數據拷貝到socket緩沖區
4、DMA控制器，異步把數據從socket緩沖區拷貝到網卡，
5、上下文（切換2）從內核態切換回用戶態，sendfile調用返回。
sendfile實現的零拷貝，I/O發生了2次用戶空間與內核空間的上下文切換，以及3次數據拷貝。其中3次數據拷貝中，包括了2次DMA拷貝和1次CPU拷貝。
帶有DMA收集拷貝功能的sendfile
linux 2.4版本之后，對sendfile做了優化升級，引入SG-DMA技術，其實就是對DMA拷貝加入了scatter/gather操作，它可以直接從內核空間緩沖區中將數據讀取到網卡。使用這個特點搞零拷貝，即還可以多省去一次CPU拷貝。
1、用戶進程發起sendfile系統調用，上下文（切換1）從用戶態轉向內核態
2、DMA控制器，把數據從硬盤中拷貝到內核緩沖區。
3、CPU把內核緩沖區中的文件描述符信息（包括內核緩沖區的內存地址和偏移量）發送到socket緩沖區
4、DMA控制器根據文件描述符信息，直接把數據從內核緩沖區拷貝到網卡
5、上下文（切換2）從內核態切換回用戶態，sendfile調用返回。
可以發現，sendfile+DMA scatter/gather實現的零拷貝，I/O發生了2次用戶空間與內核空間的上下文切換，以及2次數據拷貝。其中2次數據拷貝都是包DMA拷貝。這就是真正的 零拷貝（Zero-copy) 技術，全程都沒有通過CPU來搬運數據，所有的數據都是通過DMA來進行傳輸的。