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0拷贝浅析

话不多说，先上维基

翻译一下吧：

“零复制”描述了计算机操作，其中CPU不执行将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域的任务。 通过网络传输文件时，通常用于节省CPU周期和内存带宽。

再看看详细描述

零组件版本的操作系统元素（例如设备驱动程序，文件系统和网络协议栈）极大地提高了某些应用程序的性能，并更有效地利用了系统资源。通过允许CPU继续执行其他任务，同时在计算机的另一部分中并行进行数据复制，可以提高性能。同样，零拷贝操作减少了用户空间和内核空间之间耗时的模式切换次数。系统资源的利用效率更高，因为如果其他较简单的系统组件可以执行复制操作，则使用相对复杂的CPU来执行大量的复制操作（这是一项相对简单的任务）非常浪费。​例如，读取文件然后通过传统方式通过网络发送文件，每个读/写周期需要两个数据副本和两个上下文切换。这些数据副本之一使用CPU。通过零拷贝发送相同的文件将上下文切换减少到两个，并消除所有CPU数据拷贝。​零拷贝协议对于网络链接容量接近或超过CPU处理能力的高速网络尤其重要。在这种情况下，CPU几乎将所有时间都花在复制传输的数据上，因此成为了瓶颈，将通信速率限制在链路容量以下。行业中的经验法则是，处理一位输入的数据大约需要一个CPU时钟周期。

通过阅读上面的原理：可以看到两个关键字“用户空间”、“内核空间”；

上述描述到，在“用户空间”与“内核空间”之间的模式切换是会消耗资源的，那么当文件传输的过程中，需要将文件本身资源，从磁盘中拷贝至内核内存中，再由内存中拷贝至用户内存中，此处用户内存，指程序内存，比如jvm的堆内存，然后程序对其作出处理，然后再将该资源通过socket传输出去。看着是正常的操作，但是是一种低效的操作流程。

为何低效呢？我们细细分析一下：（此处举例，一个完整的文件发送操作，先读后写）

（1）首先，读：由用户态切换至内核态，然后将资源的内容，从磁盘中拷贝至内核模式下的buffer中（DMA copy）；

（2）在将其内核内存中的数据拷贝至用户内存中（CPU copy）（比如用户程序中的用户内存）；

（3）然后，写：将用户内存中的资源复制值内核内存中的buffer中（CPU copy）；

（4）然后将该资源由内核内存中复制至网络设备中传输（DMA copy）。这才发出去;

我们可以一步步流程看出，总共复制了4次，这就是最初始的拷贝资源传递的流程；并且随着用户态和内核态的切换，都会影响资源的占用；

那么sendFile()是如何优化的呢？

只需要2步拷贝（注意：此处会有误解，0拷贝并不是指0次拷贝，而是指用户内存和内核内存之间存在0次拷贝）；

（1）首先将磁盘中的资源拷贝至内核内存（DMA）

（2）然后应用程序通过transferTo发送指令，实现内核内存拷贝基本数据至socket buffer中

（3）然后直接将资源拷贝至网络设备缓冲区（DMA）实现完整发送流程

所以本质来说，linux只实现了三次拷贝，且三次拷贝都是在内存中实现，并没有接触到用户内存，用户内存中只存在一个映射关系（此处引申一个JVM概念：直接内存）;

上下文切换由4次减少至2次，拷贝次数由4减少至3次。

那么关于上述的拷贝优化描述应该很清晰，此处不再赘述。

我们聊一聊进一步优化：

在linux2.4版本开始，socket buffer做了优化调整，也就是当cpu内存将资源拷贝至socketbuffer中，至拷贝一些元数据相关，也就是一些资源长度，资源信息等描述符数据拷贝至了socket buffer中。而DMA引擎就直接绕过了socket buffer了，直接拷贝至协议引擎中，从而又减少了一次内存拷贝过程。（此处协议引擎指一些网络设备）；

那么对于此处优化，到底提升多少呢？笔者没有做相关的实际测试，借用网络上其他大佬的测试，可以看出上GB的资源，发送时间耗时基本提升至原来的 4/9，也就是传输时间减少了至少一半，对于小文件，几MB的，基本上降低至原来的1/3以上。

总结：transferTo()极大的提升了IO传输过程中的执行效率。

可见而知，如果减少了用户态与内核态之间的切换次数、资源在CPU上拷贝次数，可以释放很多的cpu占用，极大的提升了性能；

拓展：

DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问) 是所有现代的重要特色，它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于的大量中断负载。否则，CPU 需要从来源把每一片段的资料复制到，然后把它们再次写回到新的地方。在这个时间中，CPU 对于其他的工作来说就无法使用。

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