一，数据的四次拷贝与四次上下文切换

很多应用程序在面临客户端请求时，可以等价为进行如下的系统调用：

File.read(file, buf, len);
Socket.send(socket, buf, len);

例如消息中间件 Kafka 就是这个应用场景，从磁盘中读取一批消息后原封不动地写入网卡（NIC，Network interface controller）进行发送。在没有任何优化技术使用的背景下，操作系统为此会进行 4 次数据拷贝，以及 4 次上下文切换，如下图所示：

如果没有优化，读取磁盘数据，再通过网卡传输的场景性能比较差：

4次copy

CPU 负责将数据从磁盘搬运到内核空间的 Page Cache 中
CPU 负责将数据从内核空间的 Page Cache 搬运到用户空间的缓冲区
CPU 负责将数据从用户空间的缓冲区搬运到内核空间的 Socket 缓冲区中
CPU 负责将数据从内核空间的 Socket 缓冲区搬运到的网络中

4次上下文切换

read 系统调用时：用户态切换到内核态
read 系统调用完毕：内核态切换回用户态
write 系统调用时：用户态切换到内核态
write 系统调用完毕：内核态切换回用户态

问题分析

CPU 全程负责内存内的数据拷贝还可以接受，因为效率还算可以接受，但是如果要全程负责内存与磁盘、网络的数据拷贝，这将难以接受，因为磁盘、网卡的速度远小于内存，内存又远远小于 CPU
4 次 copy 太多了，4 次上下文切换也太频繁了

二，DMA技术

DMA，英文全称是Direct Memory Access，即直接内存访问。DMA本质上是一块主板上独立的芯片，允许外设设备和内存存储器之间直接进行IO数据传输，其过程不需要CPU的参与。我们一起来看下IO流程，DMA等忙做了什么事情。

1，用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用，进入阻塞状态，等待数据返回.
2，CPU收到指令后、对DMA控制器发起指令调度。
3，DMA收到IO请求后，将请求发送给磁盘:
做盘将数圳放入做盘控制缓冲区，并通知DMA
4，DMA将数据从微盘控制器缓冲区揭贝到内核缓冲区。
5，DMA向CPU发山数据读完的信号，把工作交换给CPU，由CPU负责将数据从内核缓冲区拷贝到用户缪冲区。
6，用户应用进程山内核态切换回用户态，解除阻寒状态

可以发现，DMA做的事情很清晰哦，它主要就是帮TCPU转发一下IO请求，以及将贝数据。

为什么需要它的?

主要就是效率，它帮助CPU做事情，这时候，CPU就可以闲下来大做别的事情，提高了CPU的利用效率。大白话解释就是，CPU老哥太忙太器啦，所以他找了个小弟《名叫DMA) ，替他完成一部分的拷贝工作，这样CPU老哥就能着手于做其他事情。

三，零拷贝技术

零拷贝技术是一个思想，指的是指计算机执行操作时，CPU 不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域。

可见，零拷贝的特点是 CPU 不全程负责内存中的数据写入其他组件，CPU 仅仅起到管理的作用。但注意，零拷贝不是不进行拷贝，而是 CPU 不再全程负责数据拷贝时的搬运工作。如果数据本身不在内存中，那么必须先通过某种方式拷贝到内存中（这个过程 CPU 可以不参与），因为数据只有在内存中，才能被转移，才能被 CPU 直接读取计算。

零拷贝技术的具体实现方式有很多，例如：

mmap+write
sendfile
带有DMA收集拷贝功能的sendfile

不同的零拷贝技术适用于不同的应用场景，下面依次进行分析。

1，mmap

mmap 的函数原型如下:

addr: 指定映射的虚拟内存地址
length:映射的长度
prot:映射内存的保护模式
fags: 指定映射的类型
fa:进行映射的文件句柄
offset:文件偏移量

前面一小节，零找贝相关的知识点回顾，我们介绍了虚拟内存，可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，从而减少数据拷贝次数! mmap就是用了虚拟内存这个特点，它将内核中的读级冲区与用户空间的缓冲区进行映射，所有的IO都在内核中完成。

1，用户进程通过 mmap方法向操作系统内核发起IO调用，上下文从用户态切换为内核态。

2，CPU利用DMA控制器，把数据认硬盘小拷贝到内核缓冲区。

3，上下文从内核态切换回用户态，mmap方法返回。

4，用户进程通过 write 方法向操作系统内核发起IO调用，上下文从用户态切换为内核态。

5，CPU将内核缓冲区的数据拷贝到的socket缓冲区。

6，CPU利用DMA控制器，把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，上下文从内核态切换回用户态，write调用返回。

可以发现， mmap+write 实现的零拷贝，I/0发生了4次用户空间与内核空间的上下文切换，以及3次数据拷贝。其中3次数据拷贝中，包括了2次DMA拷贝和1次CPU拷贝。
mmap 是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射，内核缓冲区和应用缓冲区共享，所以节省了一次CPU拷贝并且用户进程内存是虚拟的，只是映射到内核的读缓冲区，可以节省一半的内存空间。

2，sendfile

sendfile 是Linux2.1内核版本后引入的一个系统调用函数，API如下:

out_fd:为待写入内容的文件描述符，一个socket描述符。

in_fd:为待读出内容的文件描述符，必须是真实的文件，不能是socket和管道。

offset: 指定从读入文件的哪个位置开始读，如果为NULL，表示文件的默认起始位置

count:指定在fdout和fdin之间传输的字节数。

sendfile表示在两个文件描述符之间传输数据，它是在操作系统内核中操作的，避免了数据从内核缓冲区和用户缓冲区之间的拷贝操作，因此可以使用它来实现零拷贝。