• 傳統I/O ： 硬碟—>核心緩衝區—>使用者緩衝區—>核心 Socket 緩衝區—>協議引擎
• sendfile ：硬碟—>核心緩衝區—>核心 Socket 緩衝區—>協議引擎
• sendfile（DMA 收集拷貝）：硬碟—>核心緩衝區—>協議引擎

零拷貝（Zero-Copy）：一種高效的資料傳輸機制

• mmap + write
• sendfile

1、傳統的資料傳輸方式（四次上下文切換，四次拷貝）

從某臺機器將一份資料通過網路傳輸到另一臺機器，通過

public static void transfer() throws IOException {

    Socket socket = new Socket(HOST, PORT);
    InputStream in = new FileInputStream(FILE_PATH);
    OutputStream out = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());

    byte[] buffer = new byte[1024];
    while (in.read(buffer) != -1) {
        // 將資料寫到 Socket
        out.write(buffer);
    }

    out.close();
    socket.close();
    in.close();
}

雖然程式碼操作看起來很簡單，但是深入到作業系統層面，就會發現實際的微觀操作相當複雜；具體步驟：

• JVM 向 OS 發出 read() 系統呼叫，觸發上下文切換，從使用者態切換到核心態
• 從外部儲存（如：磁碟）讀取檔案內容，通過直接記憶體訪問（DMA --- Direct Memory Access）存入核心地址空間的緩衝區
• 將資料從核心緩衝區拷貝到使用者空間緩衝區，read() 系統呼叫返回，並從核心態切換回使用者態
• JVM 向 OS 發出 write() 系統呼叫，觸發上下文切換，從使用者態切換到核心態
• 將資料從使用者緩衝區拷貝到核心中與目的地 Socket 關聯的緩衝區
• 資料最終經由
  Socket 通過 DMA 傳送到硬體（如：網絡卡）緩衝區，write() 系統呼叫返回，並從核心態切換回使用者態

這個過程進行了四次上下文切換（模式切換），並且資料被來回拷貝了四次；但是真正消耗資源和浪費時間的是第2、3次；因為這兩次都需要經過 CPU Copy 而且還需要核心態和使用者態之間的來回切換。如果忽略系統的呼叫細節，整個過程可以通過下圖表示：

上下文切換是CPU密集型的工作，資料拷貝是 I/O 密集型的工作

如果一次傳輸工作就像上面那樣複雜的話，效率是相當低下的；零拷貝機制的目標就是消除冗餘的上下文切換和資料拷貝，提高效率

2、零拷貝的資料傳輸方式

2.1、mmap + write （記憶體對映）（四次上下文切換，三次資料拷貝）

替代原來的 read + write 方式，mmap 是一種記憶體對映檔案的方式；mmap 通過記憶體對映，將檔案對映到核心緩衝區；

同時，使用者空間可以共享核心空間的資料（mmap 允許程式直接在使用者態中訪問核心空間中的資料，這樣能避免一次無意義的 Copy）；建立共享對映後，就不需要從核心緩衝區拷貝到使用者緩衝區了，這就避免了一次拷貝了

• 進行對映拷貝，觸發上下文切換，從使用者態切換到核心態
• 建立使用者緩衝區和核心緩衝區的對映，從核心態切換回使用者態
• 進行資料傳送，把資料通過 Socket 傳送出去，從使用者態切換到核心態
• 直接把核心緩衝區的資料拷貝到 Socket 緩衝區中，然後拷貝到網路協議引擎裡傳送出去，系統呼叫返回，並從核心態切換回使用者態

2.2、sendfile（兩次上下文切換，最少兩次資料拷貝）

sendfile() 系統呼叫在兩個檔案描述符之間直接傳遞資料（完全在核心中操作），從而避免了資料在核心緩衝區和使用者緩衝區之間的拷貝，操作效率很高

Linux 2.1 版本提供了 sendFile() 函式：資料根本不經過使用者態，直接從核心緩衝區進入到 Socket Buffer 中；同時由於完全和使用者態無關，就減少了一次上下文切換

• sendfile() 系統呼叫，利用DMA 引擎將資料拷貝到核心緩衝區，從使用者態切換到核心態
• 資料被拷貝到 Socket 緩衝區
• DMA 引擎將資料從核心 Socket 緩衝區中拷貝到協議引擎中
• 系統呼叫返回，並從核心態切換回使用者態

Linux 2.4 後，Socket 緩衝區做了調整，DMA 帶收集功能，DMA 可以直接將核心緩衝區資料直接傳輸到協議引擎，消滅最後一次拷貝

• sendfile() 系統呼叫，利用 DMA 引擎將資料拷貝到核心緩衝區，從使用者態切換到核心態
• 將帶有檔案位置和長度資訊的緩衝區描述符新增到 Socket 緩衝區，此過程不需要將資料從核心緩衝區拷貝到 Socket 緩衝區中
• DMA 引擎直接將資料從核心緩衝區中拷貝到協議引擎中，這樣避免了最後一次資料拷貝
• 系統呼叫返回，並從核心態切換回使用者態

2.3、mmap 和 sendfile 的區別

• 都是 Linux 核心提供，實現零拷貝的 API
• mmap 適合小資料量讀寫，sendFile() 適合大檔案傳輸
• mmap 需要 4 次上下文切換，3 次資料拷貝
• sendFile() 需要 3 次上下文切換，最少 2 次資料拷貝
• sendFile() 可以利用DMA 方式，減少CPU 拷貝；mmap 則不能（必須從記憶體緩衝區拷貝到Socket 緩衝區）

基於此基礎，RocketMQ 使用了 mmap；Kafka 使用了 sendFile()