本文将简单介绍一下零拷贝的原理。

传统的IO

服务器在对静态文件进行处理时，需要从硬盘读取静态文件，然后再通过socket返回数据。

在这个过程中，数据在内核和用户态之间切换，都会进行数据复制，影响数据传输的效率。

网络请求的四次内存拷贝

DMA（Direct Memory Access）被译为直接内存访问，无需借助于CPU。

① 【DMA拷贝】磁盘到内核态的拷贝（DMA拷贝），写入Read Buffer（读缓冲区）；

② 【CPU拷贝】内核态到用户态的拷贝；

③ 【CPU拷贝】用户态到内核态的拷贝，写入Socket Buffer（Socket缓冲区）；

④ 【DMA拷贝】内核态到NIC Buffer（网卡缓冲区)。

网络请求的三次上下文切换

① read命令通过系统调用从用户态进入内核态；

② 上一步的系统调用数据从内核态拷贝到用户态;

③ write命令通过系统调用从用户态拷贝到内核态。

ZeroCopy

ZeroCopy（零拷贝）是通过避免不必要的拷贝和上下文切换来提高性能的。

sendfile

sendfile是为了解决网络传输的性能问题，也就是磁盘到网卡之间的传输效率。

拷贝次数降低为3次：2次DMA拷贝，1次CPU拷贝。

切换次数降低为2次：从用户态进入内核态，从内核态返回用户态。

同时，上下文切换也降低为两次，操作均在内核态完成。

由于sendfile操作均在内核态完成，因此用户无法对数据进行更改。

sendfile & DMA gather

在sendfile的基础之上，利用DMA gather操作把Read Buffer的数据描述信息（内存地址、地址偏移量）记录到Socket Buffer，再根据描述信息将数据批量地从Read Buffer直接拷贝到NIC Buffer（网卡缓冲区)。

拷贝次数降低为2次：2次DMA拷贝。

应用场景

Nginx和Lighttpd都使用了sendfile方法来实现高效的内存拷贝。

Kafka与Netty都利用transferTo同样使用零拷贝来实现数据的内核态处理，避免了多次拷贝操作。