什么是零拷贝？

零拷贝（Zero-Copy）是一种 I/O 操作优化技术，可以快速高效地将数据从文件系统移动到网络接口，而不需要将其从内核空间复制到用户空间。

传统I/O操作过程：

传统 I/O 的工作方式是，数据读取和写入是从用户空间到内核空间来回复制，而内核空间的数据是通过操作系统层面的 I/O 接口从磁盘读取或写入。代码通常如下，一般会需要两个系统调用：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

代码很简单，虽然就两行代码，但是这里面发生了不少的事情：

• 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将应用缓冲区中的数据，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)

这种简单又传统的文件传输方式，存在冗余的上文切换和数据拷贝，在高并发系统里是非常糟糕的，多了很多不必要的开销，会严重影响系统性能。

所以，要想提高文件传输的性能，就需要减少「用户态与内核态的上下文切换」和「内存拷贝」的次数。

零拷贝主要是用来解决操作系统在处理 I/O 操作时，频繁复制数据的问题。关于零拷贝主要技术有MMap+Write、SendFile等几种方式。

Mmap+Wirte实现零拷贝：

• 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。

SendFile实现零拷贝：

1. 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
2. DMA控制器，把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。
3. CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
4. DMA控制器，异步把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，
5. 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。