学习Netty时 看到Netty高性能的原因之一是使用零拷贝技术
学习Kafka时 看到其高性能的原因之一也使用了零拷贝技术
那么到底什么是零拷贝？本文简单做个描述。
先解释几个概念
- 用户态：只能受限地访问内存，不允许访问外围设备。占用 CPU 的能力被剥夺，CPU资源可以被其他程序获取。
- 内核态：CPU可以访问内存中所有的数据，包括外围设备，例如硬盘、网卡，CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
- DMA (direct memory access):直接内存访问，是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。在DMA模式下，CPU只须向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPU，这样就很大程度上减轻了CPU资源占有率，可以大大节省系统资源
传统的数据拷贝方法
下图为传统的数据拷贝方法：
上图分别对应传统 I/O 操作的数据读写流程，整个过程涉及 4 次 拷贝，
- 1 .数据从磁盘读取到内核的read buffer
- 2. 数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区
- 3. 数据从用户缓冲区拷贝到内核的socket buffer
- 4. 数据从内核的socket buffer拷贝到网卡接口的缓冲区
并且在用户态和内核态中间进行了2次切换，无疑也加重了CPU负担。
在此过程中，我们没有对文件内容做任何修改，那么在内核空间和用户空间来回拷贝数据无疑就是一种浪费，而零拷贝主要就是为了解决这种低效性。
解决方案
一个很明显的着力点就是减少数据在内核空间和用户空间来回拷贝。
Linux能够做到在数据传输的过程中，避免数据在操作系统内核态buffer和用户态buffer之间进行复制。Linux中提供类似的系统调用函数主要有mmap()、sendfile()及splice()。下面介绍其中两种。
- mmap
我们减少拷贝次数的一种方法是调用mmap()来代替read调用：
buf = mmap(diskfd, len);write(sockfd, buf, len);
应用程序调用mmap()，磁盘上的数据会通过DMA被拷贝的内核缓冲区，接着操作系统会把这段内核缓冲区与应用程序共享，这样就不需要把内核缓冲区的内容往用户空间拷贝。应用程序再调用write(),操作系统直接将内核缓冲区的内容拷贝到socket缓冲区中，这一切都发生在内核态，最后，socket缓冲区再把数据发到网卡去。
使用mmap替代read很明显减少了一次拷贝，当拷贝数据量很大时，无疑提升了效率。
- sendfile
从2.1版内核开始，Linux引入了sendfile来简化操作。
#include<sys/sendfile.h> ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
系统调用sendfile()在代表输入文件的描述符in_fd和代表输出文件的描述符out_fd之间传送文件内容（字节）。描述符out_fd必须指向一个套接字，而in_fd指向的文件必须是可以mmap的。这些局限限制了sendfile的使用，使sendfile只能将数据从文件传递到套接字上，反之则不行。
使用sendfile不仅减少了数据拷贝的次数，还减少了上下文切换，数据传送始终只发生在kernel space。
方案对比
限于篇幅原因并没有把所有的零拷贝方式都介绍完整，以下是Linux中各方式的对比
| 拷贝方式 | CPU拷贝 | DMA拷贝 | 系统调用 | 上下文切换 |
| 传统方式（read + write） | 2 | 2 | read / write | 4 |
| 内存映射（mmap + write） | 1 | 2 | mmap / write | 4 |
| sendfile | 1 | 2 | sendfile | 2 |
| sendfile + DMA gather copy | 0 | 2 | sendfile | 2 |
| splice | 0 | 2 | splice | 2 |
Kafka采用的是Linux系统的函数sendfile()，允许操作系统将数据从Page Cache直接发送到网络，以此来避免数据复制。
Netty 中的零拷贝和上面提到的操作系统层面上的零拷贝不太一样, 我们所说的 Netty 零拷贝完全是基于（Java 层面）用户态的，它的更多的是偏向于数据操作优化这样的概念，具体表现在以下几个方面：
- Netty 通过 DefaultFileRegion 类对 java.nio.channels.FileChannel 的 tranferTo() 方法进行包装，在文件传输时可以将文件缓冲区的数据直接发送到目的通道（Channel）
- ByteBuf 可以通过 wrap 操作把字节数组、ByteBuf、ByteBuffer 包装成一个 ByteBuf 对象, 进而避免了拷贝操作
- ByteBuf 支持 slice 操作, 因此可以将 ByteBuf 分解为多个共享同一个存储区域的 ByteBuf，避免了内存的拷贝
- Netty 提供了 CompositeByteBuf 类，它可以将多个 ByteBuf 合并为一个逻辑上的 ByteBuf，避免了各个 ByteBuf 之间的拷贝
