什么是Zero-Copy？

概述

斟酌这样1种经常使用的情形：你需要将静态内容（类似图片、文件）展现给用户。那末这个情形就意味着你需要先将静态内容从磁盘中拷贝出来放到1个内存buf中，然后将这个buf通过socket传输给用户，进而用户或静态内容的展现。这看起来再正常不过了，但是实际上这是很低效的流程，我们把上面的这类情形抽象成下面的进程：

首先调用read将静态内容，这里假定为文件A，读取到tmp_buf, 然后调用write将tmp_buf写入到socket中，如图：

在这个进程中文件A的经历了4次copy的进程：

1. 首先，调用read时，文件A拷贝到了kernel模式；
2. 以后，CPU控制将kernel模式数据copy到user模式下；
3. 调用write时，先将user模式下的内容copy到kernel模式下的socket的buffer中；
4. 最后将kernel模式下的socket buffer的数据copy到网卡装备中传送；

从上面的进程可以看出，数据白白从kernel模式到user模式走了1圈，浪费了2次copy(第1次，从kernel模式拷贝到user模式；第2次从user模式再拷贝回kernel模式，即上面4次进程的第2和3步骤。)。而且上面的进程中kernel和user模式的上下文的切换也是4次。

荣幸的是，你可以用1种叫做Zero-Copy的技术来去掉这些无谓的copy。利用程序用Zero-Copy来要求kernel直接把disk的data传输给socket，而不是通过利用程序传输。Zero-Copy大大提高了利用程序的性能，并且减少了kernel和user模式上下文的切换。

详述

Zero-Copy技术省去了将操作系统的read buffer拷贝到程序的buffer，和从程序buffer拷贝到socket buffer的步骤，直接将read buffer拷贝到socket buffer. Java NIO中的FileChannal.transferTo()方法就是这样的实现，这个实现是依赖于操作系统底层的sendFile()实现的。

他底层的调用时系统调用sendFile()方法：

下图展现了在transferTo()以后的数据流向：

下图展现了在使用transferTo()以后的上下文切换：

使用了Zero-Copy技术以后，全部进程以下：

1. transferTo()方法使得文件A的内容直接拷贝到1个read buffer（kernel buffer）中；
2. 然后数据(kernel buffer)拷贝到socket buffer中。
3. 最后将socket buffer中的数据拷贝到网卡装备（protocol engine）中传输；
   这明显是1个伟大的进步：这里把上下文的切换次数从4次减少到2次，同时也把数据copy的次数从4次下降到了3次。

但是这是Zero-Copy么，答案是不是定的。

进阶

Linux 2.1内核开始引入了sendfile函数（上1节有提到）,用于将文件通过socket传送。

该函数通过1次系统调用完成了文件的传送，减少了原来read/write方式的模式切换。另外更是减少了数据的copy, sendfile的详细进程如图：

通过sendfile传送文件只需要1次系统调用，当调用sendfile时：

1. 首先（通过DMA）将数据从磁盘读取到kernel buffer中；
2. 然后将kernel buffer拷贝到socket buffer中；
3. 最后将socket buffer中的数据copy到网卡装备（protocol engine）中发送；

这个进程就是第2节（详述）中的那个步骤。

sendfiel与read/write模式相比，少了1次copy。但是从上述进程中也能够发现从kernel buffer中将数据copy到socket buffer是没有必要的。

Linux2.4 内核对sendfile做了改进，如图：

改进后的处理进程以下：

1. 将文件拷贝到kernel buffer中；
2. 向socket buffer中追加当前要产生的数据在kernel buffer中的位置和偏移量；
3. 根据socket buffer中的位置和偏移量直接将kernel buffer的数据copy到网卡装备（protocol engine）中；

经过上述进程，数据只经过了2次copy就从磁盘传送出去了。
这个才是真实的Zero-Copy(这里的零拷贝是针对kernel来说的，数据在kernel模式下是Zero-Copy)。

正是Linux2.4的内核做了改进，Java中的TransferTo()实现了Zero-Copy,以下图：

Zero-Copy技术的使用处景有很多，比如Kafka, 又或是Netty等，可以大大提升程序的性能。

参考资料

1. Zero-Copy&sendfile浅析
2. Efficient data transfer through zero copy
3. Kafka Zero-Copy 使用分析
4. 理解Netty中的零拷贝（Zero-Copy）机制