参考：https://blog.csdn.net/hzrandd/article/details/51025341
零拷贝（zero-copy）技术可以减少数据拷贝和共享总线操作的次数，消除通信数据在存储器之间不必要的中间拷贝过程，有效地提高通信效率，是设计高速接口通道、实现高速服务器和路由器的关键技术之一。数据拷贝受制于传统的操作系统或通信协议，限制了通信性能。采用零拷贝技术，通过减少数据拷贝次数，简化协议处理的层次，在应用和网络间提供更快的数据通路，可以有效地降低通信延迟，增加网络吞吐率。
read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);
补充一点DMA的基础：
DMA是指外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术。
要把外设的数据读入内存或把内存的数据传送到外设，一般都要通过CPU控制完成，如CPU程序查询或中断方式。利用中断进行数据传送，可以大大提高CPU的利用率。
两个系统调用中的拷贝过程：发生了太多次的上下文切换和数据拷贝
第一步：read系统调用导致上下文从用户模式切换到内核模式。第一个副本由DMA引擎执行，DMA引擎从磁盘读取文件内容并将它们存储到内核地址空间缓冲区中。
第二步：将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区，并且read系统调用返回。read调用返回导致上下文从内核切换回用户模式。现在数据存储在用户地址空间缓冲区中。
第三步：write系统调用导致上下文从用户模式切换到内核模式。执行第三次复制，以再次将数据放入内核地址空间缓冲区。这个时候，数据被放入一个不同的缓冲区，一个与sockets相关联的缓冲区。
第四步：write系统调用返回，执行第四个上下文切换，将数据从内核缓冲区传递到协议引擎。
针对数据传输不需要经过应用程序地址空间的零拷贝技术
利用 mmap()
在 Linux 中，减少拷贝次数的一种方法是调用 mmap() 来代替调用 read，比如：
tmp_buf = mmap(file, len); write(socket, tmp_buf, len);
首先，应用程序调用了 mmap() 之后，数据会先通过 DMA 拷贝到操作系统内核的缓冲区中去。接着，应用程序跟操作系统共享这个缓冲区，这样，操作系统内核和应用程序存储空间就不需要再进行任何的数据拷贝操作。应用程序调用了 write() 之后，操作系统内核将数据从原来的内核缓冲区中拷贝到与 socket 相关的内核缓冲区中。接下来，数据从内核 socket 缓冲区拷贝到协议引擎中去，这是第三次数据拷贝操作。
图 2. 利用 mmap() 代替 read()
通过使用 mmap() 来代替 read(), 已经可以减半操作系统需要进行数据拷贝的次数。当大量数据需要传输的时候，这样做就会有一个比较好的效率。但是，这种改进也是需要代价的，使用 mma()p 其实是存在潜在的问题的。当对文件进行了内存映射，然后调用 write() 系统调用，如果此时其他的进程截断了这个文件，那么 write() 系统调用将会被总线错误信号 SIGBUS 中断，因为此时正在执行的是一个错误的存储访问。这个信号将会导致进程被杀死，解决这个问题可以通过以下这两种方法：
- 为 SIGBUS 安装一个新的信号处理器，这样，write() 系统调用在它被中断之前就返回已经写入的字节数目，errno 会被设置成 success。但是这种方法也有其缺点，它不能反映出产生这个问题的根源所在，因为 BIGBUS 信号只是显示某进程发生了一些很严重的错误。
- 第二种方法是通过文件租借锁来解决这个问题的，这种方法相对来说更好一些。我们可以通过内核对文件加读或者写的租借锁，当另外一个进程尝试对用户正在进行传输的文件进行截断的时候，内核会发送给用户一个实时信号：RT_SIGNAL_LEASE 信号，这个信号会告诉用户内核破坏了用户加在那个文件上的写或者读租借锁，那么 write() 系统调用则会被中断，并且进程会被 SIGBUS 信号杀死，返回值则是中断前写的字节数，errno 也会被设置为 success。文件租借锁需要在对文件进行内存映射之前设置。
使用 mmap 是 POSIX 兼容的，但是使用 mmap 并不一定能获得理想的数据传输性能。数据传输的过程中仍然需要一次 CPU 拷贝操作，而且映射操作也是一个开销很大的虚拟存储操作，这种操作需要通过更改页表以及冲刷 TLB （使得 TLB 的内容无效）来维持存储的一致性。但是，因为映射通常适用于较大范围，所以对于相同长度的数据来说，映射所带来的开销远远低于 CPU 拷贝所带来的开销。
sendfile()
为了简化用户接口，同时还要继续保留 mmap()/write() 技术的优点：减少 CPU 的拷贝次数，Linux 在版本 2.1 中引入了 sendfile() 这个系统调用。
sendfile() 不仅减少了数据拷贝操作，它也减少了上下文切换。首先：sendfile() 系统调用利用 DMA 引擎将文件中的数据拷贝到操作系统内核缓冲区中，然后数据被拷贝到与 socket 相关的内核缓冲区中去。接下来，DMA 引擎将数据从内核 socket 缓冲区中拷贝到协议引擎中去。如果在用户调用 sendfile () 系统调用进行数据传输的过程中有其他进程截断了该文件，那么 sendfile () 系统调用会简单地返回给用户应用程序中断前所传输的字节数，errno 会被设置为 success。如果在调用 sendfile() 之前操作系统对文件加上了租借锁，那么 sendfile() 的操作和返回状态将会和 mmap()/write () 一样。
图 3. 利用 sendfile () 进行数据传输
sendfile() 系统调用不需要将数据拷贝或者映射到应用程序地址空间中去，所以 sendfile() 只是适用于应用程序地址空间不需要对所访问数据进行处理的情况。相对于 mmap() 方法来说，因为 sendfile 传输的数据没有越过用户应用程序 / 操作系统内核的边界线，所以 sendfile () 也极大地减少了存储管理的开销。但是，sendfile () 也有很多局限性，如下所列：
- sendfile() 局限于基于文件服务的网络应用程序，比如 web 服务器。据说，在 Linux 内核中实现 sendfile() 只是为了在其他平台上使用 sendfile() 的 Apache 程序。
- 由于网络传输具有异步性，很难在 sendfile () 系统调用的接收端进行配对的实现方式，所以数据传输的接收端一般没有用到这种技术。
- 基于性能的考虑来说，sendfile () 仍然需要有一次从文件到 socket 缓冲区的 CPU 拷贝操作，这就导致页缓存有可能会被传输的数据所污染。
带有 DMA 收集拷贝功能的 sendfile()
上小节介绍的 sendfile() 技术在进行数据传输仍然还需要一次多余的数据拷贝操作，通过引入一点硬件上的帮助，这仅有的一次数据拷贝操作也可以避免。为了避免操作系统内核造成的数据副本，需要用到一个支持收集操作的网络接口，这也就是说，待传输的数据可以分散在存储的不同位置上，而不需要在连续存储中存放。这样一来，从文件中读出的数据就根本不需要被拷贝到 socket 缓冲区中去，而只是需要将缓冲区描述符传到网络协议栈中去，之后其在缓冲区中建立起数据包的相关结构，然后通过 DMA 收集拷贝功能将所有的数据结合成一个网络数据包。网卡的 DMA 引擎会在一次操作中从多个位置读取包头和数据。Linux 2.4 版本中的 socket 缓冲区就可以满足这种条件，这也就是用于 Linux 中的众所周知的零拷贝技术，这种方法不但减少了因为多次上下文切换所带来开销，同时也减少了处理器造成的数据副本的个数。对于用户应用程序来说，代码没有任何改变。首先，sendfile() 系统调用利用 DMA 引擎将文件内容拷贝到内核缓冲区去；然后，将带有文件位置和长度信息的缓冲区描述符添加到 socket 缓冲区中去，此过程不需要将数据从操作系统内核缓冲区拷贝到 socket 缓冲区中，DMA 引擎会将数据直接从内核缓冲区拷贝到协议引擎中去，这样就避免了最后一次数据拷贝。
图 4. 带有 DMA 收集拷贝功能的 sendfile
通过这种方法，CPU 在数据传输的过程中不但避免了数据拷贝操作，理论上，CPU 也永远不会跟传输的数据有任何关联，这对于 CPU 的性能来说起到了积极的作用：首先，高速缓冲存储器没有受到污染；其次，高速缓冲存储器的一致性不需要维护，高速缓冲存储器在 DMA 进行数据传输前或者传输后不需要被刷新。然而实际上，后者实现起来非常困难。源缓冲区有可能是页缓存的一部分，这也就是说一般的读操作可以访问它，而且该访问也可以是通过传统方式进行的。只要存储区域可以被 CPU 访问到，那么高速缓冲存储器的一致性就需要通过 DMA 传输之前冲刷新高速缓冲存储器来维护。而且，这种数据收集拷贝功能的实现是需要硬件以及设备驱动程序支持的。
splice()
splice() 是 Linux 中与 mmap() 和 sendfile() 类似的一种方法。它也可以用于用户应用程序地址空间和操作系统地址空间之间的数据传输。splice() 适用于可以确定数据传输路径的用户应用程序，它不需要利用用户地址空间的缓冲区进行显式的数据传输操作。那么，当数据只是从一个地方传送到另一个地方，过程中所传输的数据不需要经过用户应用程序的处理的时候，spice() 就成为了一种比较好的选择。splice() 可以在操作系统地址空间中整块地移动数据，从而减少大多数数据拷贝操作。而且，splice() 进行数据传输可以通过异步的方式来进行，用户应用程序可以先从系统调用返回，而操作系统内核进程会控制数据传输过程继续进行下去。splice() 可以被看成是类似于基于流的管道的实现，管道可以使得两个文件描述符相互连接，splice 的调用者则可以控制两个设备（或者协议栈）在操作系统内核中的相互连接。
splice() 系统调用和 sendfile() 非常类似，用户应用程序必须拥有两个已经打开的文件描述符，一个用于表示输入设备，一个用于表示输出设备。与 sendfile() 不同的是，splice() 允许任意两个文件之间互相连接，而并不只是文件到 socket 进行数据传输。对于从一个文件描述符发送数据到 socket 这种特例来说，一直都是使用 sendfile() 这个系统调用，而 splice 一直以来就只是一种机制，它并不仅限于 sendfile() 的功能。也就是说，sendfile() 只是 splice() 的一个子集，在 Linux 2.6.23 中，sendfile() 这种机制的实现已经没有了，但是这个 API 以及相应的功能还存在，只不过 API 以及相应的功能是利用了 splice() 这种机制来实现的。
在数据传输的过程中，splice() 机制交替地发送相关的文件描述符的读写操作，并且可以将读缓冲区重新用于写操作。它也利用了一种简单的流控制，通过预先定义的水印（ watermark ）来阻塞写请求。有实验表明，利用这种方法将数据从一个磁盘传输到另一个磁盘会增加 30% 到 70% 的吞吐量，数据传输的过程中， CPU 的负载也会减少一半。
Linux 2.6.17 内核引入了 splice() 系统调用，但是，这个概念在此之前 ] 其实已经存在了很长一段时间了。1988 年，Larry McVoy 提出了这个概念，它被看成是一种改进服务器端系统的 I/O 性能的一种技术，尽管在之后的若干年中经常被提及，但是 splice 系统调用从来没有在主流的 Linux 操作系统内核中实现过，一直到 Linux 2.6.17 版本的出现。splice 系统调用需要用到四个参数，其中两个是文件描述符，一个表示文件长度，还有一个用于控制如何进行数据拷贝。splice 系统调用可以同步实现，也可以使用异步方式来实现。在使用异步方式的时候，用户应用程序会通过信号 SIGIO 来获知数据传输已经终止。splice() 系统调用的接口如下所示：
long splice(int fdin, int fdout, size_t len, unsigned int flags);
调用 splice() 系统调用会导致操作系统内核从数据源 fdin 移动最多 len 个字节的数据到 fdout 中去，这个数据的移动过程只是经过操作系统内核空间，需要最少的拷贝次数。使用 splice() 系统调用需要这两个文件描述符中的一个必须是用来表示一个管道设备的。不难看出，这种设计具有局限性，Linux 的后续版本针对这一问题将会有所改进。参数 flags 用于表示拷贝操作的执行方法，当前的 flags 有如下这些取值：
- SPLICE_F_NONBLOCK：splice 操作不会被阻塞。然而，如果文件描述符没有被设置为不可被阻塞方式的 I/O ，那么调用 splice 有可能仍然被阻塞。
- SPLICE_F_MORE：告知操作系统内核下一个 splice 系统调用将会有更多的数据传来。
- SPLICE_F_MOVE：如果输出是文件，这个值则会使得操作系统内核尝试从输入管道缓冲区直接将数据读入到输出地址空间，这个数据传输过程没有任何数据拷贝操作发生。
Splice() 系统调用利用了 Linux 提出的管道缓冲区（ pipe buffer ）机制，这就是为什么这个系统调用的两个文件描述符参数中至少有一个必须要指代管道设备的原因。为了支持 splice 这种机制，Linux 在用于设备和文件系统的 file_operations 结构中增加了下边这两个定义：
ssize_t (*splice_write)(struct inode *pipe, strucuct file *out, size_t len, unsigned int flags); ssize_t (*splice_read)(struct inode *in, strucuct file *pipe, size_t len, unsigned int flags);
这两个新的操作可以根据 flags 的设定在 pipe 和 in 或者 out 之间移动 len 个字节。Linux 文件系统已经实现了具有上述功能并且可以使用的操作，而且还实现了一个 generic_splice_sendpage() 函数用于和 socket 之间的接合。
对应用程序地址空间和内核之间的数据传输进行优化的零拷贝技术
前面提到的几种零拷贝技术都是通过尽量避免用户应用程序和操作系统内核缓冲区之间的数据拷贝来实现的，使用上面那些零拷贝技术的应用程序通常都要局限于某些特殊的情况：要么不能在操作系统内核中处理数据，要么不能在用户地址空间中处理数据。而这一小节提出的零拷贝技术保留了传统在用户应用程序地址空间和操作系统内核地址空间之间传递数据的技术，但却在传输上进行优化。我们知道，数据在系统软件和硬件之间的传递可以通过 DMA 传输来提高效率，但是对于用户应用程序和操作系统之间进行数据传输这种情况来说，并没有类似的工具可以使用。本节介绍的技术就是针对这种情况提出来的。
