零拷贝
零拷贝是什么
零拷贝包含两个含义：
- 零：并不是真正意义上的零次，而是比传统的方式更少
- 拷贝：指数据从一个存储区域复制到另一个存储区域
总结一下：零拷贝是一种
优化技术，用于减少数据在内存和设备之间的复制次数，提高数据传输的效率和性能。
要真正了解零拷贝的含义，首先需要搞懂传统IO的执行流程：
- 读取：先将数据从外部设备
读取到内核缓冲区中，再将内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区 - 写入：先将用户缓冲区设备
拷贝到内核缓冲区中，再将内核缓冲区的数据写入到外部设备中
传统的IO过程经过4次CPU上下文切换
- 读取过程中将内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区时，需要进行系统调用，先从用户态切换到内核态，等内核处理完任务之后，再从内核态切换到用户态
- 写入过程中将用户缓冲区数据拷贝到内核缓冲区时，需要进行系统调用，先从用户态切换到内核态，等内核处理完任务之后，再从内核态切换到用户态
传统的IO过程经过4次数据拷贝
- 读取过程中，将外部设备数据拷贝到内核缓冲区中（DMA拷贝）
- 读取过程中，将内核缓冲区数据拷贝到用户缓冲区中（CPU拷贝）
- 写入过程中，将用户缓冲区数据拷贝到内核缓冲区中（CPU拷贝）
- 写入过程中，将内核缓冲区数据拷贝到外部设备中（DMA拷贝）
CPU拷贝：用户缓冲区和内核缓冲区之间的数据拷贝通过CPU拷贝实现，CPU通过指令执行将数据从一个地址空间复制到另一个地址空间，如果CPU拷贝涉及到内核空间，则需要进行系统调用从用户态切换到内核态。
DMA拷贝：内核缓冲区和外部设备之间的数据拷贝通过DMA拷贝实现，DMA是一种特殊的硬件技术，允许外部设备直接访问系统的内存，从而实现数据的直接传输。DMA控制器可以在不占用CPU资源的情况下，直接将数据从内存传输到外部设备，或者从外部设备传输到内存。
零拷贝实现方式
IO操作是非常消耗系统性能的，主要是因为IO操作会进行 用户态与内核态的上下文切换 和 内存拷贝，想要提高IO操作的效率，就要 减少 用户态和内核态的上下文切换和内存拷贝的次数。
实现零拷贝主要有以下几种方式：
- mmap/write 方式
- sendfile 方式
- 带有 scatter/gather 的 sendfile 方式
- splice 方式
mmap/write方式
mmap/write 方式实现零拷贝后的IO操作利用虚拟内存特性，使得内核缓冲区和用户缓冲区共享一内存，read 操作时 不需要将内核缓冲区数据拷贝到用户缓冲区，从而 减少一次CPU拷贝。
mmap/write 方式实现零拷贝后的 write 操作并没有减少CPU拷贝，还是需要将数据从用户缓存区拷贝到内核缓冲区中，再将内核缓冲区写入到外部设备。
mmap/write 方式原理：利用操作系统的 Page 来实现文件到物理内存的直接映射，完成映射后对物理内存的操作会被 同步 到硬盘上。
mmap/write 方式缺点：不可靠，写到 mmap 中的数据并没有被真正的写到磁盘，操作系统会再程序主动调用 flush 的时候才把数据真正写到磁盘。
总结：mmap/write 方式实现零拷贝的IO操作
没有减少用户态和内核态的上下文切换的次数，也没有减少write 操作时的CPU拷贝，只减少了 read 操作时的CPU拷贝。
sendfile 方式
sendfile 方式：可以直接再内核中将文件数据发送到网络套接字，无需通过用户空间进行数据拷贝，避免数据从用户空间到内核空间的中间拷贝，从而减少了系统调用的次数以及减少一次CPU拷贝。
sendfile缺点：只能用于将文件数据发送到网络套接字，不能适用于其他类型的IO操作
总结：sendfile 方式只有三次数据复制（其中只有一次 CPU拷贝）以及2次用户态和内核态上下文切换
带有 scatter/gather 的 sendfile 方式
带有 scatter/gather 的 sendfile 方式：在内核空间中不做数据复制，而是将内存地址、偏移量记录到相应的内核空间中，其本质和虚拟内存的解决办法思路一致，就是记录内存地址。
带有 scatter/gather 的 sendfile 方式缺点：需要硬件支持
总结：带有 scatter/gather 的 sendfile 方式只有两次数据拷贝（DMA拷贝）和两次用户态和内核态的上下文切换。
splice 方式
splice方式：splice方式和sendfile方式非常类似，应用程序必须拥有两个已经打开的文件描述符，一个表示输入设备，一个表示输出设备。并且允许文件和socket进行数据传输。
零拷贝总结
DMA拷贝依赖于硬件完成，所以对于零拷贝来说也是必须的，零拷贝的优化只能减少CPU拷贝和用户态内核态的上下文切换次数。
| CPU拷贝 | DMA拷贝 | 系统调用 | 上下文切换 | |
|---|---|---|---|---|
| 传统方法 | 2 | 2 | read/write | 4 |
| mmap/write | 1 | 2 | mmap/write | 4 |
| sendfile | 1 | 2 | sendfile | 2 |
| scatter/gather sendfile | 0 | 2 | sendfile | 2 |
| splice | 0 | 2 | splice | 0 |