原來8張圖，就可以搞懂「零拷貝」了
前言
磁盤可以說是計算機系統(tǒng)最慢的硬件之一，讀寫速度相差內(nèi)存 10 倍以上，所以針對優(yōu)化磁盤的技術非常的多，比如零拷貝、直接 I/O、異步 I/O 等等，這些優(yōu)化的目的就是為了提高系統(tǒng)的吞吐量，另外操作系統(tǒng)內(nèi)核中的磁盤高速緩存區(qū)，可以有效的減少磁盤的訪問次數(shù)。
這次，我們就以「文件傳輸」作為切入點，來分析 I/O 工作方式，以及如何優(yōu)化傳輸文件的性能。
正文
為什么要有 DMA 技術?
在沒有 DMA 技術前，I/O 的過程是這樣的：
CPU 發(fā)出對應的指令給磁盤控制器，然后返回；
磁盤控制器收到指令后，于是就開始準備數(shù)據(jù)，會把數(shù)據(jù)放入到磁盤控制器的內(nèi)部緩沖區(qū)中，然后產(chǎn)生一個中斷；
CPU 收到中斷信號后，停下手頭的工作，接著把磁盤控制器的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)一次一個字節(jié)地讀進自己的寄存器，然后再把寄存器里的數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存，而在數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠陂g CPU 是無法執(zhí)行其他任務的。
為了方便你理解，我畫了一副圖：
可以看到，整個數(shù)據(jù)的傳輸過程，都要需要 CPU 親自參與搬運數(shù)據(jù)的過程，而且這個過程，CPU 是不能做其他事情的。
簡單的搬運幾個字符數(shù)據(jù)那沒問題，但是如果我們用千兆網(wǎng)卡或者硬盤傳輸大量數(shù)據(jù)的時候，都用 CPU 來搬運的話，肯定忙不過來。
計算機科學家們發(fā)現(xiàn)了事情的嚴重性后，于是就發(fā)明了 DMA 技術，也就是直接內(nèi)存訪問（Direct Memory Access）?技術。
什么是 DMA 技術？簡單理解就是，在進行 I/O 設備和內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，數(shù)據(jù)搬運的工作全部交給 DMA 控制器，而 CPU 不再參與任何與數(shù)據(jù)搬運相關的事情，這樣 CPU 就可以去處理別的事務。
那使用 DMA 控制器進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程究竟是什么樣的呢？下面我們來具體看看。
具體過程：
用戶進程調(diào)用 read 方法，向操作系統(tǒng)發(fā)出 I/O 請求，請求讀取數(shù)據(jù)到自己的內(nèi)存緩沖區(qū)中，進程進入阻塞狀態(tài)；
操作系統(tǒng)收到請求后，進一步將 I/O 請求發(fā)送 DMA，然后讓 CPU 執(zhí)行其他任務；
DMA 進一步將 I/O 請求發(fā)送給磁盤；
磁盤收到 DMA 的 I/O 請求，把數(shù)據(jù)從磁盤讀取到磁盤控制器的緩沖區(qū)中，當磁盤控制器的緩沖區(qū)被讀滿后，向 DMA 發(fā)起中斷信號，告知自己緩沖區(qū)已滿；
DMA 收到磁盤的信號，將磁盤控制器緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)中，此時不占用 CPU，CPU 可以執(zhí)行其他任務；
當 DMA 讀取了足夠多的數(shù)據(jù)，就會發(fā)送中斷信號給 CPU；
CPU 收到 DMA 的信號，知道數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，于是將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間，系統(tǒng)調(diào)用返回；
可以看到， 整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，CPU 不再參與數(shù)據(jù)搬運的工作，而是全程由 DMA 完成，但是 CPU 在這個過程中也是必不可少的，因為傳輸什么數(shù)據(jù)，從哪里傳輸?shù)侥睦铮夹枰?CPU 來告訴 DMA 控制器。
早期 DMA 只存在在主板上，如今由于 I/O 設備越來越多，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠膊槐M相同，所以每個 I/O 設備里面都有自己的 DMA 控制器。
傳統(tǒng)的文件傳輸有多糟糕？
如果服務端要提供文件傳輸?shù)墓δ埽覀兡芟氲降淖詈唵蔚姆绞绞牵簩⒋疟P上的文件讀取出來，然后通過網(wǎng)絡協(xié)議發(fā)送給客戶端。
傳統(tǒng) I/O 的工作方式是，數(shù)據(jù)讀取和寫入是從用戶空間到內(nèi)核空間來回復制，而內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)是通過操作系統(tǒng)層面的 I/O 接口從磁盤讀取或?qū)懭搿?/p>
代碼通常如下，一般會需要兩個系統(tǒng)調(diào)用：
read(file,?tmp_buf,?len);
write(socket,?tmp_buf,?len);
代碼很簡單，雖然就兩行代碼，但是這里面發(fā)生了不少的事情。
首先，期間共發(fā)生了 4 次用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的上下文切換，因為發(fā)生了兩次系統(tǒng)調(diào)用，一次是?read()?，一次是?write()，每次系統(tǒng)調(diào)用都得先從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，等內(nèi)核完成任務后，再從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)。
上下文切換到成本并不小，一次切換需要耗時幾十納秒到幾微秒，雖然時間看上去很短，但是在高并發(fā)的場景下，這類時間容易被累積和放大，從而影響系統(tǒng)的性能。
其次，還發(fā)生了 4 次數(shù)據(jù)拷貝，其中兩次是 DMA 的拷貝，另外兩次則是通過 CPU 拷貝的，下面說一下這個過程：
第一次拷貝，把磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)里，這個拷貝的過程是通過 DMA 搬運的。
第二次拷貝，把內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶的緩沖區(qū)里，于是我們應用程序就可以使用這部分數(shù)據(jù)了，這個拷貝到過程是由 CPU 完成的。
第三次拷貝，把剛才拷貝到用戶的緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)，再拷貝到內(nèi)核的 socket 的緩沖區(qū)里，這個過程依然還是由 CPU 搬運的。
第四次拷貝，把內(nèi)核的 socket 緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)，拷貝到網(wǎng)卡的緩沖區(qū)里，這個過程又是由 DMA 搬運的。
我們回過頭看這個文件傳輸?shù)倪^程，我們只是搬運一份數(shù)據(jù)，結果卻搬運了 4 次，過多的數(shù)據(jù)拷貝無疑會消耗 CPU 資源，大大降低了系統(tǒng)性能。
這種簡單又傳統(tǒng)的文件傳輸方式，存在冗余的上文切換和數(shù)據(jù)拷貝，在高并發(fā)系統(tǒng)里是非常糟糕的，多了很多不必要的開銷，會嚴重影響系統(tǒng)性能。
所以，要想提高文件傳輸?shù)男阅?，就需要減少「用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的上下文切換」和「內(nèi)存拷貝」的次數(shù)。
如何優(yōu)化文件傳輸?shù)男阅埽?/span>
先來看看，如何減少「用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的上下文切換」的次數(shù)呢？
讀取磁盤數(shù)據(jù)的時候，之所以要發(fā)生上下文切換，這是因為用戶空間沒有權限操作磁盤或網(wǎng)卡，內(nèi)核的權限最高，這些操作設備的過程都需要交由操作系統(tǒng)內(nèi)核來完成，所以一般要通過內(nèi)核去完成某些任務的時候，就需要使用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。
而一次系統(tǒng)調(diào)用必然會發(fā)生 2 次上下文切換：首先從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，當內(nèi)核執(zhí)行完任務后，再切換回用戶態(tài)交由進程代碼執(zhí)行。
所以，要想減少上下文切換到次數(shù)，就要減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)。
再來看看，如何減少「數(shù)據(jù)拷貝」的次數(shù)？
在前面我們知道了，傳統(tǒng)的文件傳輸方式會歷經(jīng) 4 次數(shù)據(jù)拷貝，而且這里面，「從內(nèi)核的讀緩沖區(qū)拷貝到用戶的緩沖區(qū)里，再從用戶的緩沖區(qū)里拷貝到 socket 的緩沖區(qū)里」，這個過程是沒有必要的。
因為文件傳輸?shù)膽脠鼍爸校谟脩艨臻g我們并不會對數(shù)據(jù)「再加工」，所以數(shù)據(jù)實際上可以不用搬運到用戶空間，因此用戶的緩沖區(qū)是沒有必要存在的。
如何實現(xiàn)零拷貝？
零拷貝技術實現(xiàn)的方式通常有 2 種：
mmap + write
sendfile
下面就談一談，它們是如何減少「上下文切換」和「數(shù)據(jù)拷貝」的次數(shù)。
mmap + write
在前面我們知道，read()?系統(tǒng)調(diào)用的過程中會把內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶的緩沖區(qū)里，于是為了減少這一步開銷，我們可以用?mmap()?替換?read()?系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。
buf?=?mmap(file,?len);
write(sockfd,?buf,?len);
mmap()?系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)會直接把內(nèi)核緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)「映射」到用戶空間，這樣，操作系統(tǒng)內(nèi)核與用戶空間就不需要再進行任何的數(shù)據(jù)拷貝操作。
具體過程如下：
應用進程調(diào)用了?
mmap()?后，DMA 會把磁盤的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核的緩沖區(qū)里。接著，應用進程跟操作系統(tǒng)內(nèi)核「共享」這個緩沖區(qū)；應用進程再調(diào)用?
write()，操作系統(tǒng)直接將內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到 socket 緩沖區(qū)中，這一切都發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，由 CPU 來搬運數(shù)據(jù)；最后，把內(nèi)核的 socket 緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)，拷貝到網(wǎng)卡的緩沖區(qū)里，這個過程是由 DMA 搬運的。
我們可以得知，通過使用?mmap()?來代替?read()， 可以減少一次數(shù)據(jù)拷貝的過程。
但這還不是最理想的零拷貝，因為仍然需要通過 CPU 把內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到 socket 緩沖區(qū)里，而且仍然需要 4 次上下文切換，因為系統(tǒng)調(diào)用還是 2 次。
sendfile
在 Linux 內(nèi)核版本 2.1 中，提供了一個專門發(fā)送文件的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)?sendfile()，函數(shù)形式如下：
#include?
ssize_t?sendfile(int?out_fd,?int?in_fd,?off_t?*offset,?size_t?count);
它的前兩個參數(shù)分別是目的端和源端的文件描述符，后面兩個參數(shù)是源端的偏移量和復制數(shù)據(jù)的長度，返回值是實際復制數(shù)據(jù)的長度。
首先，它可以替代前面的?read()?和?write()?這兩個系統(tǒng)調(diào)用，這樣就可以減少一次系統(tǒng)調(diào)用，也就減少了 2 次上下文切換的開銷。
其次，該系統(tǒng)調(diào)用，可以直接把內(nèi)核緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)拷貝到 socket 緩沖區(qū)里，不再拷貝到用戶態(tài)，這樣就只有 2 次上下文切換，和 3 次數(shù)據(jù)拷貝。如下圖：
但是這還不是真正的零拷貝技術，如果網(wǎng)卡支持 SG-DMA（The Scatter-Gather Direct Memory Access）技術（和普通的 DMA 有所不同），我們可以進一步減少通過 CPU 把內(nèi)核緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)拷貝到 socket 緩沖區(qū)的過程。
你可以在你的 Linux 系統(tǒng)通過下面這個命令，查看網(wǎng)卡是否支持 scatter-gather 特性：
$?ethtool?-k?eth0?|?grep?scatter-gather
scatter-gather:?on
于是，從 Linux 內(nèi)核?2.4?版本開始起，對于支持網(wǎng)卡支持 SG-DMA 技術的情況下，?sendfile()?系統(tǒng)調(diào)用的過程發(fā)生了點變化，具體過程如下：
第一步，通過 DMA 將磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)里；
第二步，緩沖區(qū)描述符和數(shù)據(jù)長度傳到 socket 緩沖區(qū)，這樣網(wǎng)卡的 SG-DMA 控制器就可以直接將內(nèi)核緩存中的數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡的緩沖區(qū)里，此過程不需要將數(shù)據(jù)從操作系統(tǒng)內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到 socket 緩沖區(qū)中，這樣就減少了一次數(shù)據(jù)拷貝；
所以，這個過程之中，只進行了 2 次數(shù)據(jù)拷貝，如下圖：
這就是所謂的零拷貝（Zero-copy）技術，因為我們沒有在內(nèi)存層面去拷貝數(shù)據(jù)，也就是說全程沒有通過 CPU 來搬運數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)都是通過 DMA 來進行傳輸?shù)摹?/strong>
零拷貝技術的文件傳輸方式相比傳統(tǒng)文件傳輸?shù)姆绞?，減少了 2 次上下文切換和數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)，只需要 2 次上下文切換和數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)，就可以完成文件的傳輸，而且 2 次的數(shù)據(jù)拷貝過程，都不需要通過 CPU，2 次都是由 DMA 來搬運。
所以，總體來看，零拷貝技術可以把文件傳輸?shù)男阅芴岣咧辽僖槐兑陨?/strong>。
使用零拷貝技術的項目
事實上，Kafka 這個開源項目，就利用了「零拷貝」技術，從而大幅提升了 I/O 的吞吐率，這也是 Kafka 在處理海量數(shù)據(jù)為什么這么快的原因之一。
如果你追溯 Kafka 文件傳輸?shù)拇a，你會發(fā)現(xiàn)，最終它調(diào)用了 Java NIO 庫里的?transferTo方法：
@Overridepublic?
long?transferFrom(FileChannel?fileChannel,?long?position,?long?count)?throws?IOException?{?
????return?fileChannel.transferTo(position,?count,?socketChannel);
}
如果 Linux 系統(tǒng)支持?sendfile()?系統(tǒng)調(diào)用，那么?transferTo()?實際上最后就會使用到?sendfile()?系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。
曾經(jīng)有大佬專門寫過程序測試過，在同樣的硬件條件下，傳統(tǒng)文件傳輸和零拷拷貝文件傳輸?shù)男阅懿町?，你可以看到下面這張測試數(shù)據(jù)圖，使用了零拷貝能夠縮短?65%?的時間，大幅度提升了機器傳輸數(shù)據(jù)的吞吐量。
另外，Nginx 也支持零拷貝技術，一般默認是開啟零拷貝技術，這樣有利于提高文件傳輸?shù)男?，是否開啟零拷貝技術的配置如下：
http?{
...
????sendfile?on
...
}
sendfile 配置的具體意思:?
設置為 on 表示，使用零拷貝技術來傳輸文件：sendfile ，這樣只需要 2 次上下文切換，和 2 次數(shù)據(jù)拷貝。
設置為 off 表示，使用傳統(tǒng)的文件傳輸技術：read + write，這時就需要 4 次上下文切換，和 4 次數(shù)據(jù)拷貝。
當然，要使用 sendfile，Linux 內(nèi)核版本必須要 2.1 以上的版本。
PageCache 有什么作用？
回顧前面說道文件傳輸過程，其中第一步都是先需要先把磁盤文件數(shù)據(jù)拷貝「內(nèi)核緩沖區(qū)」里，這個「內(nèi)核緩沖區(qū)」實際上是磁盤高速緩存（PageCache）。
由于零拷貝使用了 PageCache 技術，可以使得零拷貝進一步提升了性能，我們接下來看看 PageCache 是如何做到這一點的。
讀寫磁盤相比讀寫內(nèi)存的速度慢太多了，所以我們應該想辦法把「讀寫磁盤」替換成「讀寫內(nèi)存」。于是，我們會通過 DMA 把磁盤里的數(shù)據(jù)搬運到內(nèi)存里，這樣就可以用讀內(nèi)存替換讀磁盤。
但是，內(nèi)存空間遠比磁盤要小，內(nèi)存注定只能拷貝磁盤里的一小部分數(shù)據(jù)。
那問題來了，選擇哪些磁盤數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存呢？
我們都知道程序運行的時候，具有「局部性」，所以通常，剛被訪問的數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)再次被訪問的概率很高，于是我們可以用?PageCache 來緩存最近被訪問的數(shù)據(jù)，當空間不足時淘汰最久未被訪問的緩存。
所以，讀磁盤數(shù)據(jù)的時候，優(yōu)先在 PageCache 找，如果數(shù)據(jù)存在則可以直接返回；如果沒有，則從磁盤中讀取，然后緩存 PageCache 中。
還有一點，讀取磁盤數(shù)據(jù)的時候，需要找到數(shù)據(jù)所在的位置，但是對于機械磁盤來說，就是通過磁頭旋轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)，再開始「順序」讀取數(shù)據(jù)，但是旋轉(zhuǎn)磁頭這個物理動作是非常耗時的，為了降低它的影響，PageCache 使用了「預讀功能」。
比如，假設 read 方法每次只會讀?32 KB?的字節(jié)，雖然 read 剛開始只會讀 0 ～ 32 KB 的字節(jié)，但內(nèi)核會把其后面的 32～64 KB 也讀取到 PageCache，這樣后面讀取 32～64 KB 的成本就很低，如果在 32～64 KB 淘汰出 PageCache 前，進程讀取到它了，收益就非常大。
所以，PageCache 的優(yōu)點主要是兩個：
緩存最近被訪問的數(shù)據(jù)；
預讀功能；
這兩個做法，將大大提高讀寫磁盤的性能。
但是，在傳輸大文件（GB 級別的文件）的時候，PageCache 會不起作用，那就白白浪費 DMA 多做的一次數(shù)據(jù)拷貝，造成性能的降低，即使使用了 PageCache 的零拷貝也會損失性能
這是因為如果你有很多 GB 級別文件需要傳輸，每當用戶訪問這些大文件的時候，內(nèi)核就會把它們載入 PageCache 中，于是 PageCache 空間很快被這些大文件占滿。
另外，由于文件太大，可能某些部分的文件數(shù)據(jù)被再次訪問的概率比較低，這樣就會帶來 2 個問題：
PageCache 由于長時間被大文件占據(jù)，其他「熱點」的小文件可能就無法充分使用到 PageCache，于是這樣磁盤讀寫的性能就會下降了；
PageCache 中的大文件數(shù)據(jù)，由于沒有享受到緩存帶來的好處，但卻耗費 DMA 多拷貝到 PageCache 一次；
所以，針對大文件的傳輸，不應該使用 PageCache，也就是說不應該使用零拷貝技術，因為可能由于 PageCache 被大文件占據(jù)，而導致「熱點」小文件無法利用到 PageCache，這樣在高并發(fā)的環(huán)境下，會帶來嚴重的性能問題。
大文件傳輸用什么方式實現(xiàn)？
那針對大文件的傳輸，我們應該使用什么方式呢？
我們先來看看最初的例子，當調(diào)用 read 方法讀取文件時，進程實際上會阻塞在 read 方法調(diào)用，因為要等待磁盤數(shù)據(jù)的返回，如下圖：
具體過程：
當調(diào)用 read 方法時，會阻塞著，此時內(nèi)核會向磁盤發(fā)起 I/O 請求，磁盤收到請求后，便會尋址，當磁盤數(shù)據(jù)準備好后，就會向內(nèi)核發(fā)起 I/O 中斷，告知內(nèi)核磁盤數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好；
內(nèi)核收到 I/O 中斷后，就將數(shù)據(jù)從磁盤控制器緩沖區(qū)拷貝到 PageCache 里；
最后，內(nèi)核再把 PageCache 中的數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)，于是 read 調(diào)用就正常返回了。
對于阻塞的問題，可以用異步 I/O 來解決，它工作方式如下圖：
它把讀操作分為兩部分：
前半部分，內(nèi)核向磁盤發(fā)起讀請求，但是可以不等待數(shù)據(jù)就位就可以返回，于是進程此時可以處理其他任務；
后半部分，當內(nèi)核將磁盤中的數(shù)據(jù)拷貝到進程緩沖區(qū)后，進程將接收到內(nèi)核的通知，再去處理數(shù)據(jù)；
而且，我們可以發(fā)現(xiàn)，異步 I/O 并沒有涉及到 PageCache，所以使用異步 I/O 就意味著要繞開 PageCache。
繞開 PageCache 的 I/O 叫直接 I/O，使用 PageCache 的 I/O 則叫緩存 I/O。通常，對于磁盤，異步 I/O 只支持直接 I/O。
前面也提到，大文件的傳輸不應該使用 PageCache，因為可能由于 PageCache 被大文件占據(jù)，而導致「熱點」小文件無法利用到 PageCache。
于是，在高并發(fā)的場景下，針對大文件的傳輸?shù)姆绞?，應該使用「異?I/O + 直接 I/O」來替代零拷貝技術。
直接 I/O 應用場景常見的兩種：
應用程序已經(jīng)實現(xiàn)了磁盤數(shù)據(jù)的緩存，那么可以不需要 PageCache 再次緩存，減少額外的性能損耗。在 MySQL 數(shù)據(jù)庫中，可以通過參數(shù)設置開啟直接 I/O，默認是不開啟；
傳輸大文件的時候，由于大文件難以命中 PageCache 緩存，而且會占滿 PageCache 導致「熱點」文件無法充分利用緩存，從而增大了性能開銷，因此，這時應該使用直接 I/O。
另外，由于直接 I/O 繞過了 PageCache，就無法享受內(nèi)核的這兩點的優(yōu)化：
內(nèi)核的 I/O 調(diào)度算法會緩存盡可能多的 I/O 請求在 PageCache 中，最后「合并」成一個更大的 I/O 請求再發(fā)給磁盤，這樣做是為了減少磁盤的尋址操作；
內(nèi)核也會「預讀」后續(xù)的 I/O 請求放在 PageCache 中，一樣是為了減少對磁盤的操作；
于是，傳輸大文件的時候，使用「異步 I/O + 直接 I/O」了，就可以無阻塞地讀取文件了。
所以，傳輸文件的時候，我們要根據(jù)文件的大小來使用不同的方式：
傳輸大文件的時候，使用「異步 I/O + 直接 I/O」；
傳輸小文件的時候，則使用「零拷貝技術」；
在 Nginx 中，我們可以用如下配置，來根據(jù)文件的大小來使用不同的方式：
location?/video/?{?
????sendfile?on;?
????aio?on;?
????directio?1024m;?
}
當文件大小大于?directio?值后，使用「異步 I/O + 直接 I/O」，否則使用「零拷貝技術」。
總結
早期 I/O 操作，內(nèi)存與磁盤的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鞫际怯?CPU 完成的，而此時 CPU 不能執(zhí)行其他任務，會特別浪費 CPU 資源。
于是，為了解決這一問題，DMA 技術就出現(xiàn)了，每個 I/O 設備都有自己的 DMA 控制器，通過這個 DMA 控制器，CPU 只需要告訴 DMA 控制器，我們要傳輸什么數(shù)據(jù)，從哪里來，到哪里去，就可以放心離開了。后續(xù)的實際數(shù)據(jù)傳輸工作，都會由 DMA 控制器來完成，CPU 不需要參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳌?/p>
傳統(tǒng) IO 的工作方式，從硬盤讀取數(shù)據(jù)，然后再通過網(wǎng)卡向外發(fā)送，我們需要進行 4 上下文切換，和 4 次數(shù)據(jù)拷貝，其中 2 次數(shù)據(jù)拷貝發(fā)生在內(nèi)存里的緩沖區(qū)和對應的硬件設備之間，這個是由 DMA 完成，另外 2 次則發(fā)生在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間，這個數(shù)據(jù)搬移工作是由 CPU 完成的。
為了提高文件傳輸?shù)男阅?，于是就出現(xiàn)了零拷貝技術，它通過一次系統(tǒng)調(diào)用（sendfile?方法）合并了磁盤讀取與網(wǎng)絡發(fā)送兩個操作，降低了上下文切換次數(shù)。另外，拷貝數(shù)據(jù)都是發(fā)生在內(nèi)核中的，天然就降低了數(shù)據(jù)拷貝的次數(shù)。
Kafka 和 Nginx 都有實現(xiàn)零拷貝技術，這將大大提高文件傳輸?shù)男阅堋?/p>
零拷貝技術是基于 PageCache 的，PageCache 會緩存最近訪問的數(shù)據(jù)，提升了訪問緩存數(shù)據(jù)的性能，同時，為了解決機械硬盤尋址慢的問題，它還協(xié)助 I/O 調(diào)度算法實現(xiàn)了 IO 合并與預讀，這也是順序讀比隨機讀性能好的原因。這些優(yōu)勢，進一步提升了零拷貝的性能。
需要注意的是，零拷貝技術是不允許進程對文件內(nèi)容作進一步的加工的，比如壓縮數(shù)據(jù)再發(fā)送。
另外，當傳輸大文件時，不能使用零拷貝，因為可能由于 PageCache 被大文件占據(jù)，而導致「熱點」小文件無法利用到 PageCache，并且大文件的緩存命中率不高，這時就需要使用「異步 IO + 直接 IO 」的方式。
在 Nginx 里，可以通過配置，設定一個文件大小閾值，針對大文件使用異步 IO 和直接 IO，而對小文件使用零拷貝。
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