零拷贝

零拷贝（zero-copy）是一种I/O操作优化技术，可以快速高效地将数据从文件按系统移动到网络接口，而不需要将其从内核空间复制到用户空间，其在FTP或者HTTP等协议中可以显著地提升性能。但是需要注意的是，并不是所有的操作系统都支持这一特性，目前只有在使用NIO和Epoll传输时才可使用该特性。需要注意，他不能用于实现了数据加密或者压缩的文件系统上，只能传输文件的原始内容。这类原始内同也包括加密了的文件内容。

传统I/O操作

读操作
1. 应用程序发起读数据操作，触发read()系统调用。这时操作系统会进行一次上下文切换（把用户空间切换到内核空间）。
2. 通过磁盘控制器把数据复制到内核缓冲区（页缓存）中，这里发生了一次DMA Copy。
3. 然后内核将数据复制到用户空间的应用缓冲区中，发生了一次CPU Copy。
4. read调用返回后，会再进行一次上下文切换（把内核空间切换到用户空间）
上述读过程，发生2次上下文切换和2次数据复制（一次是DMA Copy，一次是CPU Copy)。

DMA Copy是内核从磁盘上面读取数据，这是不消耗CPU时间的，是通过磁盘控制器完成的。
写操作
1. 应用程序发起写操作，触发write()系统调用，操作进行一次上下文切换（从用户空间到内核空间）
2. 把数据复制到内核缓冲区Socket缓冲区，做了一次CPU Copy。
3. 内核空间再把数据复制到磁盘或其他存储器（网卡，进行网络传输），进行了DMA Copy。
4. 写入结束返回，又从内核空间切换到用户空间。
上述写操作，也发生了2次上下文切换和2次数据复制（一次DMA Copy，一次CPU Copy）

总结：

传统的I/O读写操作，总共进行了4次上下文的切换，4次的数据复制动作。数据在内核空间和应用空间之间来回复制，其实并没有做任何有意义的逻辑，就是单纯的复制而已。所以这个机制太浪费时间，而且浪费CPU时间。

零拷贝技术原理

零拷贝主要是用来解决操作系统在处理I/O操作时，频繁复制数据的问题。零拷贝技术主要有mmap+write、sendfile、splice等几种方式。

虚拟内存

所有的现代操作系统都使用虚拟内存，使用虚拟地址取代物理地址，主要有以下几点好处：
- 多个虚拟内存可以指向同一个物理地址
- 虚拟内存空间可以远远大于物理内存空间
利用上面的第一条特性可以优化，可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样在I/O操作时就不需要来回复制了。

虚拟内存原理
mmap/write方式

使用mmap/write方式替代原来的传统I/O方式，就是利用了虚拟内存的特性。

整体流程的核心区别是，把数据读取到内核缓冲区后，应用程序进行数据写入操作时，直接把内核的Read Buffer的数据复制到Socket Buffer以便写入，这次内核之间的复制也是需要CPU参与的。

上述流程就少了一个CPU Copy，提升了I/O的速度。不过发现上下文的切换还是4次并没有减少，这是因为还是要应用程序发起write操作。
sendfile方式

从linux2.1版本开始，Linux引入了sendfile来简化操作。sendfile方式可以替换上面的mmap/write方式来进一步优化。

sendfile将以下操作：
1
2
mmap(); write();
替换为：
1
sendfile()
这样就减少了上下文切换，因为少了一个应用程序发起write操作，直接发起sendfile操作。

sendfile方式只有3次数据复制（其中只有一次CPU copy）以及2次上下文切换。
带有scatter/gather的sendfile方式

Linux2.4内核进行了优化，提供了带有scatter/gather的sendfile操作，这个操作可以把最后一次CPU copy去除。其原理就是在内核空间Read Buffer和Socket Buffer不做数据复制，而是将Read Buffer的内存地址、偏移量记录到Socket Buffer中，这样就不需要复制，其本质和虚拟内存的解决方法思路一样，就是内存地址的记录。

scatter/gatter的sendfile只有2次数据复制（都是DMA Copy）以及2次上下文切换。CPU copy已经完全没有。不过这一种收集复制功能是需要硬件及驱动程序支持的。
splice方式

splice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，一个表示输入设备，另外一个表示输出设备。与sendfile不同的是，splice允许任意两个文件之间互相连接，而并不是文件到socket进行数据传输。对于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系统调用，而splice一直依赖只是一种机制，它并不仅是sendfile的功能，也就是说，sendfile只是splice的一个子集。