零拷贝
# DMA技术
# 引入DMA之前的IO方式
在没有DMA技术之前，I/O过程是这样的：
CPU发出对应的指令给磁盘控制器，然后返回。
磁盘控制器收到指令后，开始准备数据，会把数据放入到磁盘控制器的内部缓冲区中，然后产生一个中断。
CPU收到中断信号后，停下手头的工作，接着把磁盘控制器的数据一个字节一个字节地读进自己的寄存器中，然后再把寄存器里的数据写入到用户内存。在数据传输期间，CPU无法执行其他任务。
整个数据传输过程，都需要CPU亲自参与搬运数据的过程，而在这个过程中，CPU不能做其他事儿。
# DMA（直接内存访问）引入之后的IO方式
DMA技术，实际上就是在进行I/O设备和内存的数据传输的时候，数据搬运的工作全部交由DMA控制器，而CPU不参与任何与数据搬运相关的工作，这样CPU可以去处理别的事务。
具体过程如下：
- 用户进程调用read方法，向操作系统发出I/O请求，请求读取数据到自己的内存缓冲区中，进程进入阻塞状态。
- 操作系统受到请求后，进一步将I/O请求发送给DMA控制器，然后让CPU执行其他事务。
- DMA进一步将I/O请求发送到磁盘控制器。
- 磁盘控制器受到DMA的I/O请求，把数据从磁盘读取到磁盘控制器的缓冲区中，当磁盘控制器的缓冲区被读满后，向DMA发起中断信号，告知自己的缓冲区已满。
- DMA收到磁盘信号后，将磁盘控制器缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区中，此时不需要占用CPU，CPU可以执行其他任务。
- 当DMA读取了足够多的数据，就会发送中断信号给CPU。
- CPU收到中断，知道数据已经准备好，于是将数据从内核拷贝到用户空间，系统调用返回。
# 传统的文件传输方式
这种方式共发生了四次用户态与内核态的上下文切换，因为发生了两次系统调用，一次是read()，一次是write()。
其次，还发生了四次数据拷贝，其中两次是DMA拷贝，另外两次是CPU拷贝。
# 如何减少用户态与内核态的上下文切换次数
读取磁盘数据的时候，之所以要进行上下文切换，是因为用户空间没有权限操作磁盘或者网卡，内核的权限最高，这些操作设备的过程都需要交给操作系统内核来完成。
一次系统调用必然会发生两次上下文切换。
要想减少上下文切换的次数，就要减少系统调用的次数。
# 如何减少数据拷贝的次数
传统的文件传输方式要经过四次数据拷贝，而在这里面，从内核的读缓冲区拷贝到用户的缓冲区中，再从用户的缓冲区拷贝到socket的缓冲区里，这个过程是没有必要的。
因为在文件传输的过程中，在用户空间我们并不会对数据再加工，所以数据实际上不需要搬运到用户空间，因此用户的缓冲区是没有必要存在的。
# 零拷贝的实现
# mmap+write
mmap()系统调用函数会直接把内核缓冲区里的数据映射到用户空间，这样操作系统内核与用户空间就不要再进行任何的数据拷贝操作。
可以使用mmap()替换read()系统调用函数。
具体过程如下：
- 应用进程调用了mmap()后，DMA会把磁盘的数据拷贝到内核的缓冲区中，接着，应用进程跟操作系统内核共享这个缓冲区。
- 应用进程再调用write()，操作系统直接将内核缓冲区的数据拷贝到socket缓冲区中，这一切都在内核，需要CPU来搬运数据。
- 最后，把内核的socket缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区中，这个过程由DMA完成。
这不是最佳的零拷贝实现，因为仍然需要通过CPU把内核缓冲区的数据拷贝到socket缓冲区中，仍然需要四次上下文切换。
# sendfile
sendfile()可以替代前面的read()和write()两个系统调用，这样可以减少一次系统调用，也就减少了两次上下文切换。
其次，该系统调用，可以直接把内核缓冲区里的数据拷贝到socket缓冲区里，不再拷贝到用户态，这样就只有两次上下文切换和三次数据拷贝。
# SG-DMA
以上的技术还不是真正的零拷贝技术，因为还是涉及到一次CPU拷贝，如果网卡支持SG-DMA这种与普通DMA不同的技术，可以进一步减少通过CPU把内核缓冲区里的数据拷贝到socket缓冲区的过程。
具体过程如下：
- 通过DMA将磁盘上的数据拷贝到内核缓冲区里。
- 缓冲区描述符和数据长度传送到socket缓冲区，这样网卡的SG-DMA控制器就可以直接将内核缓冲区中的数据拷贝到网卡的缓冲区里，这避免了将数据从操作系统内核缓冲区拷贝到socket缓冲区的过程，也因此减少了一次数据拷贝的过程。
这才是所谓的零拷贝技术，没有在内存层面进行数据的拷贝，也就是全称不需要CPU参与数据的搬运，所有数据都是通过DMA来进行传输的。
# 大文件传输的方式
先说结论：
- 传输大文件的时候，使用异步I/O+直接I/O的方式。
- 传输小文件的时候，使用零拷贝技术。
我们首先看最初的例子，当用户调用read()读取文件时，进程会阻塞在read方法调用上，因为要等待磁盘数据的返回。
这里的PageCache就是我们之前说的内核缓冲区，它实际上是磁盘高速缓存。它的作用主要是缓存最近被访问的磁盘的数据，此外，它还有预读的功能，可以提高磁盘的读写性能。
但是，在传输大文件时，PageCache会不起作用，因为如果把这些数据加载如PageCache中，它的空间很快会被这些大文件占满，其他热点小文件将无法使用PageCache，这样的话磁盘读写的性能就下降了。
如果使用零拷贝技术传输大文件，由于没有享受到缓存带来的好处，反而浪费了一次DMA拷贝数据到PageCache的过程。
对于大文件的传输，可以使用异步I/O来实现：
对于磁盘来说，异步I/O只支持直接I/O（直接I/O没有用到PageCache）。