概述

斟酌這樣1種經(jīng)常使用的情形：你需要將靜態(tài)內(nèi)容（類似圖片、文件）展現(xiàn)給用戶。那末這個(gè)情形就意味著你需要先將靜態(tài)內(nèi)容從磁盤中拷貝出來放到1個(gè)內(nèi)存buf中，然后將這個(gè)buf通過socket傳輸給用戶，進(jìn)而用戶或靜態(tài)內(nèi)容的展現(xiàn)。這看起來再正常不過了，但是實(shí)際上這是很低效的流程，我們把上面的這類情形抽象成下面的進(jìn)程：

首先調(diào)用read將靜態(tài)內(nèi)容，這里假定為文件A，讀取到tmp_buf, 然后調(diào)用write將tmp_buf寫入到socket中，如圖：

在這個(gè)進(jìn)程中文件A的經(jīng)歷了4次copy的進(jìn)程：

1. 首先，調(diào)用read時(shí)，文件A拷貝到了kernel模式；
2. 以后，CPU控制將kernel模式數(shù)據(jù)copy到user模式下；
3. 調(diào)用write時(shí)，先將user模式下的內(nèi)容copy到kernel模式下的socket的buffer中；
4. 最后將kernel模式下的socket buffer的數(shù)據(jù)copy到網(wǎng)卡裝備中傳送；

從上面的進(jìn)程可以看出，數(shù)據(jù)白白從kernel模式到user模式走了1圈，浪費(fèi)了2次copy(第1次，從kernel模式拷貝到user模式；第2次從user模式再拷貝回kernel模式，即上面4次進(jìn)程的第2和3步驟。)。而且上面的進(jìn)程中kernel和user模式的上下文的切換也是4次。

榮幸的是，你可以用1種叫做Zero-Copy的技術(shù)來去掉這些無謂的copy。利用程序用Zero-Copy來要求kernel直接把disk的data傳輸給socket，而不是通過利用程序傳輸。Zero-Copy大大提高了利用程序的性能，并且減少了kernel和user模式上下文的切換。

詳述

Zero-Copy技術(shù)省去了將操作系統(tǒng)的read buffer拷貝到程序的buffer，和從程序buffer拷貝到socket buffer的步驟，直接將read buffer拷貝到socket buffer. Java NIO中的FileChannal.transferTo()方法就是這樣的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)實(shí)現(xiàn)是依賴于操作系統(tǒng)底層的sendFile()實(shí)現(xiàn)的。

他底層的調(diào)用時(shí)系統(tǒng)調(diào)用sendFile()方法：

下圖展現(xiàn)了在transferTo()以后的數(shù)據(jù)流向：

下圖展現(xiàn)了在使用transferTo()以后的上下文切換：

使用了Zero-Copy技術(shù)以后，全部進(jìn)程以下：

1. transferTo()方法使得文件A的內(nèi)容直接拷貝到1個(gè)read buffer（kernel buffer）中；
2. 然后數(shù)據(jù)(kernel buffer)拷貝到socket buffer中。
3. 最后將socket buffer中的數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡裝備（protocol engine）中傳輸；
   這明顯是1個(gè)偉大的進(jìn)步：這里把上下文的切換次數(shù)從4次減少到2次，同時(shí)也把數(shù)據(jù)copy的次數(shù)從4次下降到了3次。

但是這是Zero-Copy么，答案是不是定的。

進(jìn)階

Linux 2.1內(nèi)核開始引入了sendfile函數(shù)（上1節(jié)有提到）,用于將文件通過socket傳送。

該函數(shù)通過1次系統(tǒng)調(diào)用完成了文件的傳送，減少了原來read/write方式的模式切換。另外更是減少了數(shù)據(jù)的copy, sendfile的詳細(xì)進(jìn)程如圖：

通過sendfile傳送文件只需要1次系統(tǒng)調(diào)用，當(dāng)調(diào)用sendfile時(shí)：

1. 首先（通過DMA）將數(shù)據(jù)從磁盤讀取到kernel buffer中；
2. 然后將kernel buffer拷貝到socket buffer中；
3. 最后將socket buffer中的數(shù)據(jù)copy到網(wǎng)卡裝備（protocol engine）中發(fā)送；

這個(gè)進(jìn)程就是第2節(jié)（詳述）中的那個(gè)步驟。

sendfiel與read/write模式相比，少了1次copy。但是從上述進(jìn)程中也能夠發(fā)現(xiàn)從kernel buffer中將數(shù)據(jù)copy到socket buffer是沒有必要的。

Linux2.4 內(nèi)核對(duì)sendfile做了改進(jìn)，如圖：

改進(jìn)后的處理進(jìn)程以下：

1. 將文件拷貝到kernel buffer中；
2. 向socket buffer中追加當(dāng)前要產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在kernel buffer中的位置和偏移量；
3. 根據(jù)socket buffer中的位置和偏移量直接將kernel buffer的數(shù)據(jù)copy到網(wǎng)卡裝備（protocol engine）中；

經(jīng)過上述進(jìn)程，數(shù)據(jù)只經(jīng)過了2次copy就從磁盤傳送出去了。
這個(gè)才是真實(shí)的Zero-Copy(這里的零拷貝是針對(duì)kernel來說的，數(shù)據(jù)在kernel模式下是Zero-Copy)。

正是Linux2.4的內(nèi)核做了改進(jìn)，Java中的TransferTo()實(shí)現(xiàn)了Zero-Copy,以下圖：

Zero-Copy技術(shù)的使用處景有很多，比如Kafka, 又或是Netty等，可以大大提升程序的性能。

參考資料

1. Zero-Copy&sendfile淺析
2. Efficient data transfer through zero copy
3. Kafka Zero-Copy 使用分析
4. 理解Netty中的零拷貝（Zero-Copy）機(jī)制