深入理解掌握零拷贝技术
前言
零拷贝技术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。这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。
原始的网络请求，需要数次在用户态和内核态之间切换以及数据的拷贝，这无疑大大影响了处理的效率，零拷贝技术就是为解决这一问题而诞生的。
我们常见的高性能组件（Netty、Kafka等），其内部基本都应用了零拷贝，在学习这些组件之前，有必要先了解什么是零拷贝。
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传统文件传输 read + write
DMA拷贝：指外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术
如上图所示，传统的网络传输，需要进行4次用户态和内核态切换，4次数据拷贝（2次CPU拷贝，2次DMA拷贝）
上下文的切换涉及到操作系统，相对CPU速度是非常耗时的，而且仅仅一次文件传输，竟然需要4次数据拷贝，造成CPU资源极大的浪费
不难看出，传统网络传输涉及很多冗余且无意义的操作，导致应用在高并发情况下，性能指数级下降，表现异常糟糕
为了解决这一问题，零拷贝技术诞生了，他其实是一个抽象的概念，但其本质就是通过减少上下文切换和数据拷贝次数来实现的
mmap + write
如上图所示，mmap技术传输文件，需要进行4次用户态和内核态切换，3次数据拷贝（1次CPU拷贝、两次DMA拷贝）
相对于传统数据传输，mmap减少了一次CPU拷贝，其具体过程如下：
显然仅仅减少一次数据拷贝，依然难以满足要求
sendfile
如上图所属，sendfile技术传输文件，需要进行2次用户态和内核态的切换，3次数据拷贝（1次CPU拷贝、两次DMA拷贝）
相对于mmap，其又减少了两次上下文的切换，具体过程如下：
sendfile其实是将原来的两步读写操作进行了合并，从而减少了2次上下文的切换，但其仍然不是真正意义上的“零”拷贝
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sendfile + SG-DMA
从 Linux 内核 2.4 版本开始起，对于支持网卡支持 SG-DMA 技术的情况下， sendfile() 系统调用的过程发生了点变化，如上图所示，sendfile + SG-DMA技术传输文件，需要进行2次用户态和内核态的切换，2次数据拷贝（1次DMA拷贝，1次SG-DMA拷贝）
具体过程如下：
此种方式对比之前的，真正意义上去除了CPU拷贝，CPU 的高速缓存再不会被污染了，CPU 可以去执行其他的业务计算任务，同时和 DMA 的 I/O 任务并行，极大地提升系统性能。
但他的劣势也很明显，强依赖于硬件的支持
splice
Linux 在 2.6.17 版本引入 splice 系统调用，不再需要硬件支持，同时还实现了两个文件描述符之间的数据零拷贝。
splice 系统调用可以在内核空间的读缓冲区（read buffer）和网络缓冲区（socket buffer）之间建立管道（pipeline），从而避免了用户缓冲区和Socket缓冲区的 CPU 拷贝操作。
基于 splice 系统调用的零拷贝方式，整个拷贝过程会发生 2次用户态和内核态的切换，2次数据拷贝（2次DMA拷贝），具体过程如下：
splice 拷贝方式也同样存在用户程序不能对数据进行修改的问题。除此之外，它使用了 Linux 的管道缓冲机制，可以用于任意两个文件描述符中传输数据，但是它的两个文件描述符参数中有一个必须是管道设备
总结
本文简单介绍了 Linux 中的几种 Zero-copy 技术，随着技术的不断发展，又出现了诸如：写时复制、共享缓冲等技术，本文就不再赘述。
广义的来讲，Linux 的 Zero-copy 技术可以归纳成以下三大类：
减少甚至避免用户空间和内核空间之间的数据拷贝：在一些场景下，用户进程在数据传输过程中并不需要对数据进行访问和处理，那么数据在 Linux 的 Page Cache 和用户进程的缓冲区之间的传输就完全可以避免，让数据拷贝完全在内核里进行，甚至可以通过更巧妙的方式避免在内核里的数据拷贝。这一类实现一般是是通过增加新的系统调用来完成的，比如 Linux 中的 mmap()，sendfile() 以及 splice() 等。
绕过内核的直接 I/O：允许在用户态进程绕过内核直接和硬件进行数据传输，内核在传输过程中只负责一些管理和辅助的工作。这种方式其实和第一种有点类似，也是试图避免用户空间和内核空间之间的数据传输，只是第一种方式是把数据传输过程放在内核态完成，而这种方式则是直接绕过内核和硬件通信，效果类似但原理完全不同。
内核缓冲区和用户缓冲区之间的传输优化：这种方式侧重于在用户进程的缓冲区和操作系统的页缓存之间的 CPU 拷贝的优化。这种方法延续了以往那种传统的通信方式，但更灵活。