概述
考慮這樣一種常用的情形：你需要將靜態(tài)內(nèi)容（類似圖片、文件）展示給用戶。那么這個情形就意味著你需要先將靜態(tài)內(nèi)容從磁盤中拷貝出來放到一個內(nèi)存buf中，然后將這個buf通過socket傳輸給用戶，進而用戶或者靜態(tài)內(nèi)容的展示。這看起來再正常不過了，但是實際上這是很低效的流程，我們把上面的這種情形抽象成下面的過程：
read(file, tmp_buf, len); write(socket, tmp_buf, len);
首先調(diào)用read將靜態(tài)內(nèi)容，這里假設(shè)為文件A，讀取到tmp_buf, 然后調(diào)用write將tmp_buf寫入到socket中，如圖：
在這個過程中文件A的經(jīng)歷了4次copy的過程：
- 首先，調(diào)用read時，文件A拷貝到了kernel模式；
- 之后，CPU控制將kernel模式數(shù)據(jù)copy到user模式下；
- 調(diào)用write時，先將user模式下的內(nèi)容copy到kernel模式下的socket的buffer中；
- 最后將kernel模式下的socket buffer的數(shù)據(jù)copy到網(wǎng)卡設(shè)備中傳送；
從上面的過程可以看出，數(shù)據(jù)白白從kernel模式到user模式走了一圈，浪費了2次copy(第一次，從kernel模式拷貝到user模式；第二次從user模式再拷貝回kernel模式，即上面4次過程的第2和3步驟。)。而且上面的過程中kernel和user模式的上下文的切換也是4次。
幸運的是，你可以用一種叫做Zero-Copy的技術(shù)來去掉這些無謂的copy。應(yīng)用程序用Zero-Copy來請求kernel直接把disk的data傳輸給socket，而不是通過應(yīng)用程序傳輸。Zero-Copy大大提高了應(yīng)用程序的性能，并且減少了kernel和user模式上下文的切換。
詳述
Zero-Copy技術(shù)省去了將操作系統(tǒng)的read buffer拷貝到程序的buffer，以及從程序buffer拷貝到socket buffer的步驟，直接將read buffer拷貝到socket buffer. JAVA NIO中的FileChannal.transferTo()方法就是這樣的實現(xiàn)，這個實現(xiàn)是依賴于操作系統(tǒng)底層的sendFile()實現(xiàn)的。
public void transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target);
他底層的調(diào)用時系統(tǒng)調(diào)用**sendFile()**方法：
#include <sys/socket.h> ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
下圖展示了在transferTo()之后的數(shù)據(jù)流向：
下圖展示了在使用transferTo()之后的上下文切換：
使用了Zero-Copy技術(shù)之后，整個過程如下：
- transferTo()方法使得文件A的內(nèi)容直接拷貝到一個read buffer（kernel buffer）中；
- 然后數(shù)據(jù)(kernel buffer)拷貝到socket buffer中。
- 最后將socket buffer中的數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡設(shè)備（protocol engine）中傳輸；
這顯然是一個偉大的進步：這里把上下文的切換次數(shù)從4次減少到2次，同時也把數(shù)據(jù)copy的次數(shù)從4次降低到了3次。
但是這是Zero-Copy么，答案是否定的。
進階
linux 2.1內(nèi)核開始引入了sendfile函數(shù)（上一節(jié)有提到）,用于將文件通過socket傳送。
sendfile(socket, file, len);
該函數(shù)通過一次系統(tǒng)調(diào)用完成了文件的傳送，減少了原來read/write方式的模式切換。此外更是減少了數(shù)據(jù)的copy, sendfile的詳細過程如圖：
通過sendfile傳送文件只需要一次系統(tǒng)調(diào)用，當調(diào)用sendfile時：
- 首先（通過DMA）將數(shù)據(jù)從磁盤讀取到kernel buffer中；
- 然后將kernel buffer拷貝到socket buffer中；
- 最后將socket buffer中的數(shù)據(jù)copy到網(wǎng)卡設(shè)備（protocol engine）中發(fā)送；
這個過程就是第二節(jié)（詳述）中的那個步驟。
sendfiel與read/write模式相比，少了一次copy。但是從上述過程中也可以發(fā)現(xiàn)從kernel buffer中將數(shù)據(jù)copy到socket buffer是沒有必要的。
Linux2.4 內(nèi)核對sendfile做了改進，如圖：
改進后的處理過程如下：
- 將文件拷貝到kernel buffer中；
- 向socket buffer中追加當前要發(fā)生的數(shù)據(jù)在kernel buffer中的位置和偏移量；
- 根據(jù)socket buffer中的位置和偏移量直接將kernel buffer的數(shù)據(jù)copy到網(wǎng)卡設(shè)備（protocol engine）中；
經(jīng)過上述過程，數(shù)據(jù)只經(jīng)過了2次copy就從磁盤傳送出去了。
這個才是真正的Zero-Copy(這里的零拷貝是針對kernel來講的，數(shù)據(jù)在kernel模式下是Zero-Copy)。
正是Linux2.4的內(nèi)核做了改進，Java中的TransferTo()實現(xiàn)了Zero-Copy,如下圖：
Zero-Copy技術(shù)的使用場景有很多，比如Kafka, 又或者是Netty等，可以大大提升程序的性能。
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