前语
在介绍零仿制之前，咱们先经过简略的比方了解一般的数据传输形式有什么坏处，然后再看看零仿制技能处理了哪些问题。
咱们知道许多Web应用程序供给许多静态内容，这相当于从磁盘读取数据并将完全相同的数据写回呼应套接字（也便是 socket），然后再发送给客户端。这个进程好像只需求相对较少的CPU活动，但其实这样做是较为低效的。首要咱们需求知道内核从磁盘读取数据并将其跨内核用户鸿沟推送到应用程序，然后应用程序将其推送回内核用户鸿沟写入套接字。实践上，应用程序更相当于一个低效的搬运工，其从磁盘文件获取数据然后再将其转运到套接字。
为什么说上面的流程是低效的呢？首要咱们需求清晰每次数据穿越用户内核鸿沟时（用户态与内核态的切换），都必须进行仿制，这会耗费CPU周期和内存带宽。那有没有什么办法去削减这些不必要的仿制呢？
答案自然是肯定的，有请咱们今日的主角：零仿制技能。
何为零仿制
零仿制（Zero-copy；也被称为零仿制）技能是指计算机履行操作时，CPU 不需求先将数据从某处内存仿制到另一个特定区域。这种技能一般用于经过网络传输文件时节省 CPU 周期和内存带宽。
运用零仿制的应用程序恳求内核直接将数据从磁盘文件仿制到套接字，而不经过应用程序。零仿制极大地进步了应用程序功能并削减了内核和用户形式之间的上下文切换次数。
Java类库经过java.nio.channels.FileChannel.transferTo()办法支撑零仿制技能，能够经过 transferTo()办法将字节直接从调用它的 channel 传输到另一个可写字节 channel，而无需数据经过应用程序。
详细流程剖析
接下来咱们详细剖析上面所说的流程，事实上这是一个很常见的场景，它描绘了许多服务器应用程序的行为，包括 FTP 服务器、邮件服务器等等。
咱们首要剖析传统计划（将字节从文件仿制到 socket）的处理流程：
看上去好像很简略，可是完成起来需求在用户态和内核态之间进行四次上下文切换一起进行了四次数据仿制，数据怎么在内部从文件移动到 socket 如下图所示：
上下文切换进程如下图所示：
然后咱们来剖析一下详细的流程，大致分为以下几步：
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Read()调用导致从用户形式到内核形式的上下文切换，并在内部宣布一个 sys_read()（或者其他等效的调用）以从文件中读取数据，第一个副本由 DMA 引擎履行，该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；
2.恳求的数据从读取缓冲区仿制到用户缓冲区，然后 read()调用回来。调用的回来导致了内核态到用户态的切换，并且现在数据存储在用户地址空间缓冲区中；
3.send()调用导致从用户形式到内核形式的上下文切换，并履行第三次仿制以再次将数据放入内核地址空间缓冲区。可是留意这一次数据被放入了一个不同的缓冲区，一个与方针套接字相相关的缓冲区。
4.体系 send()调用回来，导致第四个上下文切换。当DMA引擎将数据从内核缓冲区传递到协议引擎时，会独立且异步地进行第四次仿制。
零仿制办法的完成进程
假如咱们细心调查上面的流程，会发现实践上并不需求第二个和第三个数据副本。应用程序除了缓存数据并将其传输回套接字缓冲区外什么也不做。相反，数据能够直接从读取缓冲区传输到套接字缓冲区。在 java 中咱们能够经过上述说到的 transferTo()办法来完成。
该办法将数据从文件通道传输到给定的可写字节通道。在详细完成中，取决于底层操作体系对零仿制的支撑；在UNIX和各种Linux体系中，此调用被路由到 sendfile()体系调用，如下图所示，它将数据从一个文件描绘符传输到另一个文件描绘符：
然后咱们剖析一下详细的数据流通进程，如下图所示：
上下文切换进程如下图所示：
transferTo()办法使 DMA 引擎将文件内容仿制到读取缓冲区中。然后内核将数据仿制到与输出套接字相关的内核缓冲区中。
第三次仿制发生在DMA引擎将数据从内核套接字缓冲区传递到协议引擎时。
咱们显着能够发现上下文切换的数量从四个削减到两个，并且数据副本的数量从四个削减到三个（其中只要一个涉及CPU）。但这还没有使咱们到达零仿制的方针。假如底层网络接口卡支撑收集操作，咱们能够进一步削减内核所做的数据仿制。在Linux内核2.4及更高版别中，修改了套接字缓冲区描绘符来支撑该功用。这种办法不仅削减了多次上下文切换，而且还消除了需求CPU参与的重复数据副本。用户端的用法依然保持不变，但详细的底层完成函数发生了改变：
transferTo()办法使DMA引擎将文件内容仿制到内核缓冲区中。
留意此刻没有数据被仿制到套接字缓冲区中。相反，只要包括有关数据方位和长度信息的描绘符才会附加到套接字缓冲区。也便是说相当于只把数据的元数据仿制到套接字缓冲区，这份耗费一般是能够忽略不计的。DMA引擎将数据直接从内核缓冲区传递到协议引擎，然后消除了剩余的终究CPU副本。
详细的流程如下图所示：
需求留意的是 transferTo()办法的办法签名并没有改变，只是操作体系的底层调用函数进行了调整优化。
功能比较
测试环境：
经过调查测试结果能够很显着的看到功能上的提升是非常显着的，关于许多合适的场景，运用零仿制技能能够显著地进步功能。咱们所熟知的 kafka 内部就采用了零仿制技能来进步功率。
本文主要对零仿制技能相关于传统数据传输的优化点进行了简略的剖析，并没有深化探究底层的 sendfile()体系调用详细是怎么完成的，以及怎么在编程中详细的实践操作，感兴趣的小伙伴能够自己去深化研究一下噢。
扩展概念
- DMA(Direct Memory Access)
直译便是直接内存访问，是一种无需 CPU 的参与就能够让外设与体系内存之间进行双向数据传输的硬件机制。运用 DMA 能够使体系 CPU 从实践的 I/O 数据传输进程中摆脱出来，然后显著进步体系的吞吐率。DMA 方法的数据传输由 DMA 控制器（DMAC）控制，在传输期间，CPU 能够并发的履行其他使命。当 DMA 完毕后，DMAC 经过间断通知 CPU 数据传输现已完毕，由 CPU 履行相应的间断服务程序进行后续处理。
- 间断
指处理机处理程序运转中呈现的紧急事件的整个进程。程序运转进程中，体系外部、体系内部或者现行程序自身若呈现紧急事件，处理机当即间断现行程序的运转，主动转入相应的处理程序(间断服务程序)，待处理完后，再回来原来的程序运转，这整个进程称为程序间断；
举个简略的比方：比方小王正在作业（相当于处理机正在处理程序运转），忽然接到外卖小哥的电话说外卖到了（相当于接收到间断信号），此刻小王就暂时停掉手中的作业去拿外卖（相当于履行间断服务程序），然后再回到工位上持续作业（相当于回来原来的程序持续履行）。
