在介绍零拷贝之前我想说下在计算机系统中数据传输的方式。
早期阶段:
分散连接，串行工作，程序查询。 在这个阶段，CPU就像个保姆一样，需要手把手的把数据从I/O接口从读出然后再送给主存。
这个阶段具体流程是:
- CPU主动启动I/O设备
- 然后CPU一直问I/O设备老铁你准备好了吗，注意这里是一直询问。
- 如果I/O设备告诉了CPU说:我准备好了。CPU就从I/O接口中读数据。
- 然后CPU又继续把这个数据传给主存，就像快递员一样。
这种效率很低，数据传输过程一直占据着CPU，CPU不能做其他更有意义的事。
接口模块
在冯诺依曼结构中，每个部件之间均有单独连线，不仅线多，而且导致扩展I/O设备很不容易，我们上面的早期阶段就是这个体系，叫做分散连接。扩展一个I/O设备得连接很多线。所以引入了总线连接方式，将多个设备连接在同一组总线上，构成设备之间的公共传输通道。
在这种模式下数据交换采用程序中断的方式
- CPU主动启动I/O设备。
- CPU启动之后不需要再问I/O，开始做其他事，类似异步化。
- I/O准备好了之后，通过总线中断告诉CPU我已经准备好了。
- CPU进行读取数据，传输给主存中。
DMA
虽然上面的方式虽然提高了CPU的利用率，但是在中断的时候CPU一样是被占用的，为了进一步解决CPU占用，又引入了DMA方式，在DMA方式中，主存和I/O设备之间有一条数据通路，这下主存和I/O设备之间交换数据时，就不需要再次中断CPU。
具有通道结构的阶段
在小型计算机中采用DMA方式可以实现高速I/O设备与主机之间组成数据的交换，但在大中型计算机中，I/O配置繁多，数据传送平凡，若采用DMA方式会出现一系列问题。
- 每台I/O设备都配置专用额DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且解决DMA和CPU访问冲突问题，会使控制变得十分复杂。
- CPU需要对众多的DMA接口进行管理，同样会影响工作效率。
所以引入了通道，通道用来管理I/O设备以及主存与I/O设备之间交换信息的部件，可以视为一种具有特殊功能的处理器。它是从属于CPU的一个专用处理器，CPU不直接参与管理，故提高了CPU的资源利用率
具有I/O处理机的阶段
输入输出系统发展到第四阶段，出现了I/O处理机。I/O处理机又称为外围处理机，它独立于主机工作，既可以完成I/O通道要完成的I/O控制，又完成格式处理，纠错等操作。具有I/O处理机的输出系统与CPU工作的并行度更高，这说明IO系统对主机来说具有更大的独立性。
我们可以看到数据传输进化的目标是一直在减少CPU占有，提高CPU的资源利用率。
接下来进入拷贝的正题
传统的拷贝方式具体的数据流转图如下
- CPU发指令给I/O设备的DMA，由DMA将我们磁盘中的数据传输到内核空间的内核buffer。
- 第二阶段触发我们的CPU中断，CPU开始将将数据从kernel buffer拷贝至我们的应用缓存
- CPU将数据从应用缓存拷贝到内核中的socket buffer.
- DMA将数据从socket buffer中的数据拷贝到网卡缓存。
总共需要经历四个阶段，2次DMA，2次CPU中断，总共四次拷贝，有四次上下文切换，并且会占用两次CPU。
优点:开发成本低，适合一些对性能要求不高的，一些管理系统就足够使用了
缺点:多次上下文切换，占用多次CPU，性能比较低。
sendFile实现零拷贝
什么是零拷贝呢？在wiki中的定位:通常是指计算机在网络上发送文件时，不需要将文件内容拷贝到用户空间（User Space）而直接在内核空间（Kernel Space）中传输到网络的方式。
在java NIO中FileChannal.transferTo()实现了操作系统的sendFile
- 调用sendfie(),CPU下发指令叫DMA将磁盘数据拷贝到内核buffer中。
- DMA拷贝完成发出中断请求，进行CPU拷贝，拷贝到socket buffer中。sendFile调用完成返回。
- DMA将socket buffer拷贝至网卡buffer。
可以看见我们根本没有把数据复制到我们的应用缓存中，所以这种方式就是零拷贝
以上虽然减少到了只有三次数据拷贝，但是还是需要CPU中断复制数据。为啥呢？因为DMA需要知道内存地址我才能发送数据啊。所以在Linux2.4内核中做了改进，将Kernel buffer中对应的数据描述信息（内存地址，偏移量）记录到相应的socket缓冲区当中。 最终形成了下面的过程：
在第三方开源框架中Netty，RocketMQ，kafka中都有类似的代码
mmap映射
上面我们提到了零拷贝的实现，但是我们只能将数据原封不动的发给用户，并不能自己使用。于是Linux提供的一种访问磁盘文件的特殊方式，可以将内存中某块地址空间和我们要指定的磁盘文件相关联，从而把我们对这块内存的访问转换为对磁盘文件的访问，这种技术称为内存映射（Memory Mapping）。 我们通过这种技术将文件直接映射到用户态的内存地址，这样对文件的操作不再是write/read,而是直接对内存地址的操作。
参考链接：
https://mp.weixin.qq.com/s/ZM_Zxvu7ZdOruIaeXkH0Kw