零拷貝（Zero-copy）技術是一種計算機操作系統中用于提高數據傳輸效率的優化策略。在傳統的數據傳輸過程中，需要將數據從一個緩沖區拷貝到另一個緩沖區，然后再傳輸給目標。這涉及到多次的 CPU 和內存之間的數據拷貝操作，會消耗 CPU 的時間和內存帶寬。而零拷貝技術通過直接共享數據的內存地址，避免了中間的拷貝過程，從而提高了數據傳輸的效率。

1.傳統 IO 執行流程

要搞明白零拷貝技術就要先搞清楚傳統 IO 的執行流程，傳統的 IO 的執行流程如下：

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1.1 用戶態和內核態

操作系統有用戶態和內核態之分，這是因為計算機體系結構中的操作系統設計了兩個不同的執行環境，以提供不同的功能和特權級別。

• 用戶態（User Mode）是指應用程序運行時的執行環境。在用戶態下，應用程序只能訪問受限資源，如應用程序自身的內存空間、CPU 寄存器等，并且不能直接訪問操作系統的底層資源和硬件設備。
• 內核態（Kernel Mode）是指操作系統內核運行時的執行環境。在內核態下，操作系統具有更高的權限，可以直接訪問系統的硬件和底層資源，如 CPU、內存、設備驅動程序等。

1.2 DMA

DMA（Direct Memory Access，直接內存訪問）技術，繞過 CPU，直接在內存和外設之間進行數據傳輸。這樣可以減少 CPU 的參與，提高數據傳輸的效率。

2.零拷貝技術的實現

零拷貝技術可以利用 Linux 下的 MMap、sendFile 等手段來實現，使得數據能夠直接從磁盤映射到內核緩沖區，然后通過 DMA 傳輸到網卡緩存，整個過程中 CPU 只負責管理和調度，而無需執行實際的數據復制指令。

2.1 MMap

MMap（Memory Map）是 Linux 操作系統中提供的一種將文件映射到進程地址空間的一種機制，通過 MMap 進程可以像訪問內存一樣訪問文件，而無需顯式的復制操作。

使用 MMap 可以把 IO 執行流程優化成以下執行步驟：

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傳統的 IO 需要四次拷貝和四次上下文（用戶態和內核態）切換，而 MMap 只需要三次拷貝和四次上下文切換，從而能夠提升程序整體的執行效率，并且節省了程序的內存空間。

2.2 senFile 方法

在 Linux 操作系統中 sendFile() 是一個系統調用函數，用于高效地將文件數據從內核空間直接傳輸到網絡套接字（Socket）上，從而實現零拷貝技術。這個函數的主要目的是減少 CPU 上下文切換以及內存復制操作，提高文件傳輸性能。

使用 sendFile() 可以把 IO 執行流程優化成以下執行步驟：

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3.哪些地方用到了零拷貝技術？

在 Java 中，以下幾個地方使用了零拷貝技術：

1. NIO（New I/O）通道：java.nio.channels.FileChannel 提供了 transferTo() 和 transferFrom() 方法，可以直接將數據從一個通道傳輸到另一個通道，例如從文件通道直接傳輸到 Socket 通道，整個過程無需將數據復制到用戶空間緩沖區，從而實現了零拷貝。
2. Socket Direct Buffer：在 JDK 1.4 及更高版本中，Java NIO 支持使用直接緩沖區（DirectBuffer），這類緩沖區是在系統堆外分配的，可以直接由網卡硬件進行 DMA 操作，減少數據在用戶態與內核態之間復制次數 ，提高網絡數據發送效率。
3. Apache Kafka 或者 Netty 等高性能框架：這些框架在底層實現上通常會利用 Java NIO 的上述特性來優化數據傳輸，如 Kafka 生產者和消費者在傳輸消息時會用到零拷貝技術以提升性能。

小結

使用零拷貝技術可以減少 CPU 拷貝，及減少了上下文的切換帶來的性能開銷，提高了程序的整體執行效率，它們的區別對比如下表格所示：

課后思考

無論是傳統 IO，還是零拷貝，其中兩次 DMA 拷貝都不能省略，這是為什么？零拷貝技術除了 MMap 和 sendFile() 之外，還有沒有其他的技術實現？