如何实现零拷贝

零拷贝经常在各个框架使用,比如kafka,rocketmq,都起到了很好的作用,首先我们要知道零拷贝不是没有一次拷贝，是尽可能的减少拷贝。

我们先看看传统的数据拷贝

1. 应用程序调用read函数,向操作系统发送IO操作进行上下文切换,用户态到内核态的切换
2. DMA控制器把数据从磁盘拷贝到内核缓冲区
3. cpu从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区,进行上下文切换内核态到用户态
4. 用户程序调用write函数发起IO请求，进行上下文切换，用户态到内核态的切换
5. cpu从用户缓冲区把数据拷贝到socket缓冲区
6. DMA控制器从socket缓冲把数据拷贝到网卡中,进行上下文切换,然后write函数返回

上面过程一共进行了4次拷贝，4次上下文切换

上面有些概念简单说明一下

用户空间和内核空间

首先我们知道我们的程序是建立在操作系统之上的，但是我的程序往往会有些动作是非常危险的，比如读写磁盘，内存读写，因此操作系统就分成了两个空间，一个用户空间，一个内核空间

• 用户空间，主要是让应用程序使用空间，是不允许直接操作内核空间的
• 内核空间，只要做一些进程调度,内存分配,连接硬件资源等功能

上下文以及上下文切换

上下文，cpu寄存器是容量小，却速度快的一块内存,程序计数器，是记录cpu指令的东西，而我们cpu运行之前是要必须依赖cpu寄存器和程序计数器，这就是上下文

上下文切换，就是把上一个cpu的内容即寄存器和程序计算器保存起来，加载新的上下文，然后执行新的cpu任务，这就是上下文切换

虚拟内存,现在的操作系统都是使用虚拟内存，虚拟内存替代了真实的物理地址，多个虚拟内存可以指向同一个物理地址,我们可以把用户空间和内核空间的虚拟内存指向同一个物理地址，这样可以减少io操作的拷贝

DMA技术

DMA,全名Direct Memory Access,即直接内存访问,他简单来说就是帮助cpu干活的小弟，实际上他是一块对的芯片,可以允许外部设备和内存寄存器直接进行io数据传输，其过程不需要cpu参加，使用DMA技术是为了让cpu空闲起来，做其他事情，提高效率

实现零拷贝有三种方式

• mmap+write
• sendfile
• 带有DMA拷贝功能的sendfile

mmap+write,前面我们说过虚拟内存，可以把用户空间和内核空间的虚拟内存映射到同一个物理地址，而mmap就是利用这个特性，把用户缓存区和内核缓存区进行了映射，达到减少拷贝的目的,所有操作都在内存中完成

1. 应用程序调用mmap函数进行IO操作，上下文进行切换
2. DMA控制器把数据从磁盘拷贝到内核缓冲区
3. mmap函数返回，上下文切换
4. 应用程序调用write函数进行IO操作，上下文切换
5. CPU从内存缓冲区把数据拷贝到socket缓冲区
6. DMA从socket缓冲区把数据拷贝到网卡
7. write函数返回，上下文切换

上面一共进行3次拷贝，4次上下文切换

sendfile,他是在两个个文件描述符之间传输数据,是在内存空间操作，避免了用户缓冲区和内核缓冲区的数据拷贝,

1. 应用程序发起sendfiles函数，进行上下文切换
2. DMA从磁盘把数据拷贝到内存缓冲区
3. cpu从内核缓冲区拷贝到socket缓冲区
4. DMA在异步从socket缓冲区拷贝到网卡
5. sendfile函数返回，上下文切换

上面进行了3次数据拷贝，2次上下文切换

带有DMA拷贝功能的sendfile,linux2.4版本对sendfile进行优化,引入了SG-DMA技术，即直接可以从内存缓冲区拷贝数据到网卡，减少了数据的拷贝

1. 应用调用sendfile函数进行上下文切换
2. DMA从磁盘把数据拷贝到内存缓冲区
3. CPU直接把文件描述符(包括内核缓冲区的内存地址和偏移量)发送到socket缓冲区中
4. DMA根据文件描述符直接把数据从内核缓冲区拷贝数据到网卡中
5. sendfile返回，上下文切换

上面一共发送了2次拷贝和2次上下文切换，全程没有cpu拷贝数据，真正实现了零拷贝,都是由DMA进行数据拷贝