零拷贝

what

零拷贝是相对于操作系统来说的，不需要cpu来进行拷贝数据了，所以称之为零拷贝。

但是实际上还是会进行数据拷贝的。

传统IO

传统IO

1. 将磁盘文件，拷贝到操作系统内核缓冲区
2. 将内核缓冲区的数据，拷贝到应用程序的buffer
3. 将应用程序buffer中的数据，再拷贝到socket网络发送缓冲区（属于内核缓冲区）
4. 将socket buffer数据，拷贝到网卡，由网卡进行网络传输

传统IO方式，读取磁盘文件进行网络发送，经过4次数据拷贝，4次上下文切换。

如果你单独看这个过程感觉是2次上下文切换，但是其实一开始操作的时候是在用户态的，最后数据从网卡发送结束之后，也要返回用户态。

MMAP

这种方式使用mmap()代替了read()

1. 磁盘的数据通过DMA拷贝到内核缓冲区
2. 操作系统把这块内核缓冲区与应用程序共享，避免了用户缓冲区和内核缓冲区的跨界复制
3. 应用程序调用write()直接从内核缓冲区的内容拷贝到socket缓冲区
4. 最后系统将socket的数据传输到网卡，由网卡进行传输

MMAP减少了一次拷贝，提升了效率，但是并不减少上下文切换的次数，所以总的来说mmap发生了 3次数据拷贝，4次上下文切换

SendFile

2.1版本

这种方式是使用sendfile代替了read+write操作

1. 首先sendfile系统调用，通过DMA引擎将磁盘文件拷贝到内存缓冲区
2. 在内核缓冲区，内核将数据拷贝到socket缓冲区
3. 最后，DMA将数据从内核拷贝到网卡，由网卡传输

数据总共发生3次拷贝，2次上下文切换

在这个版本下 其实还是有cpu 拷贝的，所以这个版本是不能称之为零拷贝的，至少2.4版本之后了

2.4版本

1. 磁盘数据通过 DMA 拷贝到内核态 Buffer
2. 直接通过 DMA 拷贝到 NIC Buffer

对比

1. 都是Linux内核提供，实现零拷贝的API
2. sendfile是将读到内核缓冲区的数据，直接转到socket buffer，进行网络发送
3. mmap是将磁盘文件读取到内核缓冲区后进行映射，和用户缓冲区共享数据，然后CPU在拷贝数据到socket buffer，进行网络发送
4. mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。
5. mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝；sendFile 需要 3 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝。
6. sendFile 可以利用 DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）

使用

• rocketMQ 在消费消息时，使用了 mmap
• kafka 使用了 sendFile
• 如Tomcat、Nginx、Apache等web服务器返回静态资源等，将数据用网络发送出去，都运用了sendfile。
• Java NIO对sendfile的支持就是FileChannel.transferTo()/transferFrom()。

参考链接

• kafka的零拷贝技术