一：用戶空間與內(nèi)核空間

操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，它不同于普通應(yīng)用程序，所以為了保護(hù)內(nèi)核的存儲空間，操作系統(tǒng)將虛擬空間分為了兩個部分：內(nèi)核空間和用戶空間。

二：傳統(tǒng)IO流程

四次上下文切換，四次拷貝。


1、將磁盤文件，讀取到操作系統(tǒng)內(nèi)核緩沖區(qū)；
2、將內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，拷貝到用戶空間的緩沖區(qū)；
3、數(shù)據(jù)從用戶空間緩沖區(qū)拷貝到內(nèi)核的socket網(wǎng)絡(luò)發(fā)送緩沖區(qū)；
4、數(shù)據(jù)從內(nèi)核的socket網(wǎng)絡(luò)發(fā)送緩沖區(qū)拷貝到網(wǎng)卡接口（硬件）的緩沖區(qū)，由網(wǎng)卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。

三：零拷貝常見的實(shí)現(xiàn)方式

1. mmap + write

mmap通過內(nèi)存映射，將文件映射到內(nèi)核緩沖區(qū)。同時，用戶空間可以共享內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)。這樣，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時，就可以減少內(nèi)核空間到用戶空間的拷貝次數(shù)。如下圖：

優(yōu)化后：三次拷貝 + 四次上下文切換。

2. sendfile

sendfile實(shí)現(xiàn)有兩個版本，我們這里只介紹真正實(shí)現(xiàn)零拷貝技術(shù)的后者，即通過SG-DMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拷貝。

Linux 2.1版本提供了sendFile函數(shù)，其基本原理如下：
數(shù)據(jù)根本不經(jīng)過用戶態(tài)，直接從內(nèi)核緩沖區(qū)進(jìn)入到Socket Buffer，同時，由于和用戶態(tài)完全無關(guān)，就減少了一次上下文切換。

只需 2 次拷貝：
第一次使用 DMA 從磁盤文件拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)；
第二次從內(nèi)核緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（網(wǎng)卡）；

（內(nèi)核緩存區(qū)只會拷貝一些 offset 和 length 信息到SocketBuffer，基本無消耗）
優(yōu)化后：兩次上下文切換 + 兩次拷貝。

四：Java中零拷貝

通過Java的FileChannel.transferTo()方法實(shí)現(xiàn)零拷貝：
底層是調(diào)用Linux操作系統(tǒng)中的sendfile()實(shí)現(xiàn)的。

通過Java的FileChannel.map()方法實(shí)現(xiàn)零拷貝：
底層是調(diào)用Linux操作系統(tǒng)中的mmap()實(shí)現(xiàn)的。

再稍微講講 mmap 和 sendFile 的區(qū)別：
1、mmap 適合小數(shù)據(jù)量讀寫，sendFile 適合大文件傳輸。
2、mmap 需要 4 次上下文切換，3 次數(shù)據(jù)拷貝；sendFile 需要 3 次上下文切換，最少 2 次數(shù)據(jù)拷貝。
3、sendFile 可以利用 DMA 方式，減少 CPU 拷貝，mmap 則不能（必須從內(nèi)核拷貝到 Socket 緩沖區(qū)）。

在這個選擇上：RocketMQ 在消費(fèi)消息時，使用了 mmap。Kafka 使用了 sendFile。

五：Netty 中如何實(shí)現(xiàn)零拷貝

netty中的零拷貝和操作系統(tǒng)中零拷貝有點(diǎn)不一樣，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零拷貝主要是在內(nèi)核態(tài)的優(yōu)化，netty完全是在用戶狀態(tài)實(shí)現(xiàn)零拷貝。

1. CompositeByteBuf 實(shí)現(xiàn)零拷貝

通過將多個ByteBuf合并為一個邏輯上的ByteBuf，避免了各個ByteBuf之間的拷貝。

● 常規(guī)使用

ByteBuf allBuf = Unpooled.buffer(header.readableBytes() + body.readableBytes());
allBuf.writeBytes(header);
allBuf.writeBytes(body);

● 使用CompositeByteBuf

CompositeByteBuf compositeByteBuf = Unpooled.compositeBuffer();
compositeByteBuf.addComponents(true, header, body);

2. wrap 實(shí)現(xiàn)零拷貝

將byte[]數(shù)組、ByteBuf、ByteBuffer等包裝成一個Netty ByteBuf對象進(jìn)而避免了拷貝操作。

● 常規(guī)使用

byte[] bytes = ...
ByteBuf byteBuf = Unpooled.buffer();
byteBuf.writeBytes(bytes);

● 使用wrap

byte[] bytes = ...
ByteBuf byteBuf = Unpooled.wrappedBuffer(bytes);

3. slice 實(shí)現(xiàn)零拷貝

將ByteBuf 拆解成多個ByteBuf，但是共享同一存儲空間不同分區(qū)，避免了內(nèi)存拷貝。

ByteBuf byteBuf = ...
ByteBuf header = byteBuf.slice(0, 5);
ByteBuf body = byteBuf.slice(5, 10);

4. FileRegion實(shí)現(xiàn)零拷貝

通過FileRegion包裝的FileChannel.tranferTo實(shí)現(xiàn)文件傳輸，可以直接將文件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)Channel，避免了傳統(tǒng)通過循環(huán)write方式導(dǎo)致的內(nèi)存拷貝問題。

● 傳統(tǒng)文件傳輸

public static void copyFile(String srcFile, String destFile) throws Exception {byte[] temp = new byte[1024];FileInputStream in = new FileInputStream(srcFile);FileOutputStream out = new FileOutputStream(destFile);int length;while ((length = in.read(temp)) != -1) {out.write(temp, 0, length);}in.close();out.close();
}

● file Region

public static void copyFileWithFileChannel(String srcFileName, String destFileName) throws Exception {RandomAccessFile srcFile = new RandomAccessFile(srcFileName, "r");FileChannel srcFileChannel = srcFile.getChannel();RandomAccessFile destFile = new RandomAccessFile(destFileName, "rw");FileChannel destFileChannel = destFile.getChannel();long position = 0;long count = srcFileChannel.size();srcFileChannel.transferTo(position, count, destFileChannel);
}