1 零拷贝的介绍

零拷贝是指计算机执行IO操作时，CPU不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及CPU的拷贝时间。它是一种I/O操作优化技术。

2 传统的IO的执行流程

传统的IO流程包括read和write的过程
read:把数据从磁盘读到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区
write:先把数据写到socket缓冲区，再写入到网卡设备

用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用， 上下文从用户态转为内核态（切换1）

DMA控制器把数据从磁盘中，读取到内核缓冲区。

CPU把内核缓冲区数据，拷贝到用户应用缓冲区， 上下文从内核态转为用户态（切换2），read函数返回

用户应用进程通过write函数，发起IO调用， 上下文从用户态转为内核态（切换3）

CPU将用户缓冲区中的数据，拷贝到socket缓冲区

DMA控制器把数据从socket缓冲区，拷贝到网卡设备， 上下文从内核态切换回用户态（切换4），write函数返回

从流程图可以看出，传统IO的读写流程，包括了4次上下文切换（4次用户态和内核态的切换），4次数据拷贝（两次CPU拷贝以及两次的DMA拷贝)，什么是DMA拷贝呢？我们一起来回顾下，零拷贝涉及的操作系统知识点哈。

3 零拷贝涉及的技术点

3.1 内核空间和用户空间

内核空间：主要提供进程调度、内存分配、连接硬件资源等功能

用户空间：提供给各个程序进程的空间，它不具有访问内核空间资源的权限，如果应用程序需要使用到内核空间的资源，则需要通过系统调用来完成。进程从用户空间切换到内核空间，完成相关操作后，再从内核空间切换回用户空间。

3.2 用户态和内核态

如果进程运行于内核空间，被称为进程的内核态

如果进程运行于用户空间，被称为进程的用户态。

3.3 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。

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。

CPU收到指令后，对DMA控制器发起指令调度。

DMA收到IO请求后，将请求发送给磁盘；

磁盘将数据放入磁盘控制缓冲区，并通知DMA

DMA将数据从磁盘控制器缓冲区拷贝到内核缓冲区。

DMA向CPU发出数据读完的信号，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缓冲区。

用户应用进程由内核态切换回用户态，解除阻塞状态

4 零拷贝实现的几种方式

零拷贝并不是没有拷贝数据，而是减少用户态/内核态的切换次数以及CPU拷贝的次数。零拷贝实现有多种方式，分别是

mmap+write

sendfile

带有DMA收集拷贝功能的sendfile

4.1 mmap+write

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

flags：指定映射的类型

fd:进行映射的文件句柄

offset:文件偏移量

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。

CPU利用DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。

上下文从内核态切换回用户态，mmap方法返回。

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。

CPU将内核缓冲区的数据拷贝到的socket缓冲区。

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/O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。

4.2 sendfile

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。

用户进程发起sendfile系统调用， 上下文（切换1）从用户态转向内核态

DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。

CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区

DMA控制器，异步把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，

上下文（切换2）从内核态切换回用户态，sendfile调用返回。
可以发现，sendfile实现的零拷贝，I/O发生了2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。那能不能把CPU拷贝的次数减少到0次呢？有的，即带有DMA收集拷贝功能的sendfile！

4.3 sendfile+DMA scatter/gather实现的零拷贝

linux 2.4版本之后，对sendfile做了优化升级，引入SG-DMA技术，其实就是对DMA拷贝加入了scatter/gather操作，它可以直接从内核空间缓冲区中将数据读取到网卡。使用这个特点搞零拷贝，即还可以多省去一次CPU拷贝。

用户进程发起sendfile系统调用， 上下文（切换1）从用户态转向内核态

DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。

CPU把内核缓冲区中的 文件描述符信息（包括内核缓冲区的内存地址和偏移量）发送到socket缓冲区

DMA控制器根据文件描述符信息，直接把数据从内核缓冲区拷贝到网卡

上下文（切换2）从内核态切换回用户态，sendfile调用返回。

可以发现，sendfile+DMA scatter/gather实现的零拷贝，I/O发生了2次用户空间与内核空间的上下文切换，以及2次数据拷贝。其中2次数据拷贝都是包DMA拷贝。这就是真正的 零拷贝（Zero-copy) 技术，全程都没有通过CPU来搬运数据，所有的数据都是通过DMA来进行传输的。

5 java提供的零拷贝方式

5.1 Java NIO对mmap的支持

public class MmapTest {
 
    public static void main(String[] args) {
        try {
            FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./jay.txt"), StandardOpenOption.READ);
            MappedByteBuffer data = readChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, 1024 * 1024 * 40);
            FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./siting.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
            //数据传输
            writeChannel.write(data);
            readChannel.close();
            writeChannel.close();
        }catch (Exception e){
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

5.2 Java NIO对sendfile的支持

FileChannel的transferTo()/transferFrom()，底层就是sendfile() 系统调用函数。Kafka 这个开源项目就用到它，平时面试的时候，回答面试官为什么这么快，就可以提到零拷贝sendfile这个点。

@Override
public long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException {
   return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
}

public class SendFileTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("./jay.txt"), StandardOpenOption.READ);
            long len = readChannel.size();
            long position = readChannel.position();
            
            FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("./siting.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
            //数据传输
            readChannel.transferTo(position, len, writeChannel);
            readChannel.close();
            writeChannel.close();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}