阿里面試官：知道零拷貝技術嗎？那你來講講
前言
零拷貝技術是指計算機執(zhí)行操作時，CPU不需要先將數(shù)據(jù)從某處內存復制到另一個特定區(qū)域。這種技術通常用于通過網絡傳輸文件時節(jié)省CPU周期和內存帶寬。
原始的網絡請求，需要數(shù)次在用戶態(tài)和內核態(tài)之間切換以及數(shù)據(jù)的拷貝，這無疑大大影響了處理的效率，零拷貝技術就是為解決這一問題而誕生的。
我們常見的高性能組件（Netty、Kafka等），其內部基本都應用了零拷貝，在學習這些組件之前，有必要先了解什么是零拷貝。
傳統(tǒng)文件傳輸 read + write
DMA拷貝：指外部設備不通過CPU而直接與系統(tǒng)內存交換數(shù)據(jù)的接口技術
如上圖所示，傳統(tǒng)的網絡傳輸，需要進行4次用戶態(tài)和內核態(tài)切換，4次數(shù)據(jù)拷貝（2次CPU拷貝，2次DMA拷貝）
上下文的切換涉及到操作系統(tǒng)，相對CPU速度是非常耗時的，而且僅僅一次文件傳輸，竟然需要4次數(shù)據(jù)拷貝，造成CPU資源極大的浪費
不難看出，傳統(tǒng)網絡傳輸涉及很多冗余且無意義的操作，導致應用在高并發(fā)情況下，性能指數(shù)級下降，表現(xiàn)異常糟糕
為了解決這一問題，零拷貝技術誕生了，他其實是一個抽象的概念，但其本質就是通過減少上下文切換和數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)來實現(xiàn)的
mmap + write
如上圖所示，mmap技術傳輸文件，需要進行4次用戶態(tài)和內核態(tài)切換，3次數(shù)據(jù)拷貝（1次CPU拷貝、兩次DMA拷貝）
相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，mmap減少了一次CPU拷貝，其具體過程如下：
應用進程調用 mmap() ，DMA 會把磁盤的數(shù)據(jù)拷貝到內核的緩沖區(qū)里，應用進程跟操作系統(tǒng)內核「共享」這個緩沖區(qū)
應用進程再調用 write()，操作系統(tǒng)直接將內核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到 socket 緩沖區(qū)中，這一切都發(fā)生在內核態(tài)，由 CPU 來搬運數(shù)據(jù)
最后，把內核的 socket 緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)，拷貝到網卡的緩沖區(qū)里，這個過程是由 DMA 搬運的
顯然僅僅減少一次數(shù)據(jù)拷貝，依然難以滿足要求
sendfile
如上圖所屬，sendfile技術傳輸文件，需要進行2次用戶態(tài)和內核態(tài)的切換，3次數(shù)據(jù)拷貝（1次CPU拷貝、兩次DMA拷貝）
相對于mmap，其又減少了兩次上下文的切換，具體過程如下：
應用調用sendfile接口，傳入文件描述符，應用程序切換至內核態(tài)，并通過 DMA 將磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝到內核緩沖區(qū)中
CPU將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝至Socket緩沖區(qū)
DMA將數(shù)據(jù)拷貝到網卡的緩沖區(qū)里，應用程序切換至用戶態(tài)
sendfile其實是將原來的兩步讀寫操作進行了合并，從而減少了2次上下文的切換，但其仍然不是真正意義上的“零”拷貝
sendfile + SG-DMA
從 Linux 內核 2.4 版本開始起，對于支持網卡支持 SG-DMA 技術的情況下， sendfile() 系統(tǒng)調用的過程發(fā)生了點變化，如上圖所示，sendfile + SG-DMA技術傳輸文件，需要進行2次用戶態(tài)和內核態(tài)的切換，2次數(shù)據(jù)拷貝（1次DMA拷貝，1次SG-DMA拷貝）
具體過程如下：
通過 DMA 將磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝到內核緩沖區(qū)里；
緩沖區(qū)描述符和數(shù)據(jù)長度傳到 socket 緩沖區(qū)，這樣網卡的 SG-DMA 控制器就可以直接將內核緩存中的數(shù)據(jù)拷貝到網卡的緩沖區(qū)里，此過程不需要將數(shù)據(jù)從操作系統(tǒng)內核緩沖區(qū)拷貝到 socket 緩沖區(qū)中，這樣就減少了一次數(shù)據(jù)拷貝；
此種方式對比之前的，真正意義上去除了CPU拷貝，CPU 的高速緩存再不會被污染了，CPU 可以去執(zhí)行其他的業(yè)務計算任務，同時和 DMA 的 I/O 任務并行，極大地提升系統(tǒng)性能。
但他的劣勢也很明顯，強依賴于硬件的支持
splice
Linux 在 2.6.17 版本引入 splice 系統(tǒng)調用，不再需要硬件支持，同時還實現(xiàn)了兩個文件描述符之間的數(shù)據(jù)零拷貝。
splice 系統(tǒng)調用可以在內核空間的讀緩沖區(qū)（read buffer）和網絡緩沖區(qū)（socket buffer）之間建立管道（pipeline），從而避免了用戶緩沖區(qū)和Socket緩沖區(qū)的 CPU 拷貝操作。
基于 splice 系統(tǒng)調用的零拷貝方式，整個拷貝過程會發(fā)生 2次用戶態(tài)和內核態(tài)的切換，2次數(shù)據(jù)拷貝（2次DMA拷貝），具體過程如下：
用戶進程通過 splice() 函數(shù)向內核（kernel）發(fā)起系統(tǒng)調用，上下文從用戶態(tài)（user space）切換為內核態(tài)（kernel space）。
CPU 利用 DMA 控制器將數(shù)據(jù)從主存或硬盤拷貝到內核空間（kernel space）的讀緩沖區(qū)（read buffer）。
CPU 在內核空間的讀緩沖區(qū)（read buffer）和網絡緩沖區(qū)（socket buffer）之間建立管道（pipeline）。
CPU 利用 DMA 控制器將數(shù)據(jù)從網絡緩沖區(qū)（socket buffer）拷貝到網卡進行數(shù)據(jù)傳輸。
上下文從內核態(tài)（kernel space）切換回用戶態(tài)（user space），splice 系統(tǒng)調用執(zhí)行返回。
splice 拷貝方式也同樣存在用戶程序不能對數(shù)據(jù)進行修改的問題。除此之外，它使用了 Linux 的管道緩沖機制，可以用于任意兩個文件描述符中傳輸數(shù)據(jù)，但是它的兩個文件描述符參數(shù)中有一個必須是管道設備
總結
本文簡單介紹了 Linux 中的幾種 Zero-copy 技術，隨著技術的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)了諸如：寫時復制、共享緩沖等技術，本文就不再贅述。
廣義的來講，Linux 的 Zero-copy 技術可以歸納成以下三大類：
減少甚至避免用戶空間和內核空間之間的數(shù)據(jù)拷貝：在一些場景下，用戶進程在數(shù)據(jù)傳輸過程中并不需要對數(shù)據(jù)進行訪問和處理，那么數(shù)據(jù)在 Linux 的 Page Cache 和用戶進程的緩沖區(qū)之間的傳輸就完全可以避免，讓數(shù)據(jù)拷貝完全在內核里進行，甚至可以通過更巧妙的方式避免在內核里的數(shù)據(jù)拷貝。這一類實現(xiàn)一般是是通過增加新的系統(tǒng)調用來完成的，比如 Linux 中的 mmap()，sendfile() 以及 splice() 等。
繞過內核的直接 I/O：允許在用戶態(tài)進程繞過內核直接和硬件進行數(shù)據(jù)傳輸，內核在傳輸過程中只負責一些管理和輔助的工作。這種方式其實和第一種有點類似，也是試圖避免用戶空間和內核空間之間的數(shù)據(jù)傳輸，只是第一種方式是把數(shù)據(jù)傳輸過程放在內核態(tài)完成，而這種方式則是直接繞過內核和硬件通信，效果類似但原理完全不同。
內核緩沖區(qū)和用戶緩沖區(qū)之間的傳輸優(yōu)化：這種方式側重于在用戶進程的緩沖區(qū)和操作系統(tǒng)的頁緩存之間的 CPU 拷貝的優(yōu)化。這種方法延續(xù)了以往那種傳統(tǒng)的通信方式，但更靈活。
作者：十三
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