在 OS 层面上的零拷贝通常指避免在用户态(User-space) 与内核态(Kernel-space) 之间来回拷贝数据。严格意义上的零拷贝是指将数据直接从磁盘文件复制到网卡设备中，而不需要经由应用程序之手。
零拷贝技术：
- mmap
- sendfile
相关概念
DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问) ：DMA 传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。当 CPU 初始化这个传输动作，传输动作本身是由 DMA 控制器来实行和完成。在实现 DMA 传输时，是由 DMA 控制器直接掌管总线，因此，存在着一个总线控制权转移问题。即 DMA 传输前，CPU 要把总线控制权交给 DMA 控制器，而在结束 DMA 传输后，DMA 控制器应立即把总线控制权再交回给 CPU。
传统IO
在 Java 中，传统 IO 的代码示例：
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File file = new File("index.html");
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
byte[] arr = new byte[(int) file.length()];
raf.read(arr);
Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
socket.getOutputStream().write(arr);
调用 read 方法读取 index.html 的内容，变成字节数组，然后调用 write 方法，将 index.html 字节流写到 socket 中，在 OS 底层的传输流程如下图所示。
上图中，上半部分表示用户态和内核态的上下文切换。下半部分表示数据复制操作。步骤具体如下：
- read 调用导致用户态到内核态的一次变化，同时，第一次复制开始：DMA（Direct Memory Access，直接内存存取，即不使用 CPU 拷贝数据到内存，而是 DMA 引擎传输数据到内存，用于解放 CPU） 引擎从磁盘读取 index.html 文件，并将数据放入到内核缓冲区。
- 发生第二次数据拷贝，即：将内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区，同时，发生了一次用内核态到用户态的上下文切换。
- 发生第三次数据拷贝，调用 write 方法，系统将用户缓冲区的数据拷贝到 Socket 缓冲区。此时，又发生了一次用户态到内核态的上下文切换。
- 第四次拷贝，数据异步的从 Socket 缓冲区，使用 DMA 引擎拷贝到网络协议引擎。这一段，不需要进行上下文切换。
- write 方法返回，再次从内核态切换到用户态。
mmap
mmap 通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网络传输时，就可以减少内核空间到用户空间的拷贝次数。
如上图，user buffer 和 kernel buffer 共享 index.html。如果想把硬盘的 index.html 传输到网络中，再也不用拷贝到用户空间，再从用户空间拷贝到 Socket 缓冲区。
只需要从内核缓冲区拷贝到 Socket 缓冲区即可，这将减少一次内存拷贝（从 4 次变成了 3 次），但不减少上下文切换次数。
sendfile
Linux 2.1 版本 提供了 sendFile 函数，其基本原理如下，数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到 Socket Buffer，同时由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换。
如上图，进行 sendFile 系统调用时，数据被 DMA 引擎从文件复制到内核缓冲区，接着从内核缓冲区进入到 Socket，这是没有上下文切换的，因为都在内核空间。最后，数据从 Socket 缓冲区进入到协议栈。此时，数据经过了 3 次拷贝，3 次上下文切换。
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ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
系统调用 sendfile() 在代表输入文件的描述符 in_fd 和代表输出文件的描述符 out_fd 之间传送文件内容（字节）。描述符 out_fd 必须指向一个套接字，而 in_fd 指向的文件必须是可以 mmap 的。这些局限限制了 sendfile 的使用，使 sendfile 只能将数据从文件传递到套接字上，反之则不行。
使用 sendfile 不仅减少了数据拷贝的次数，还减少了上下文切换，数据传送始终只发生在 kernel space。
sendfile 进阶版(严格意义上的零拷贝)
Linux 在 2.4 版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到 Socket buffer 的操作，直接拷贝到协议引擎，从而再一次减少了数据拷贝。具体如下图：
零拷贝技术通过 DMA (Direct Memory Access）技术将文件内容复制到内核模式下的 ReadBuffer 中。不过没有数据被复制到Socket Buffer，相反只有包含数据的位置和长度的信息的文件描述符被加到 Socket Buffer 中。DMA 引擎直接将数据从内核模式中传递到网卡设备（协议引擎）。这里数据只经历了 2 次复制就从磁盘中传送出去了， 并且上下文切换也变成了 2 次。零拷贝是针对内核模式而言的，数据在内核模式下实现了零拷贝。
#### mmap 和 sendFile 区别
- mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输
- mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝；sendFile 需要 3 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝
- sendFile 可以利用 DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）
在这个选择上：rocketMQ 在消费消息时，使用了 mmap。kafka 使用了 sendFile。
splice
Linux 在 2.6.17 版本引入 splice 系统调用，用于在两个文件描述符中移动数据:
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ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out, loff_t *off_out, size_t len, unsigned int flags);
splice 调用在两个文件描述符之间移动数据，而不需要数据在内核空间和用户空间来回拷贝。它从 fd_in 拷贝 len 长度的数据到 fd_out，但是有一方必须是管道设备，这也是目前 splice 的一些局限性。flags 参数有以下几种取值：
- SPLICE_F_MOVE ：尝试去移动数据而不是拷贝数据。这仅仅是对内核的一个小提示：如果内核不能从 pipe 移动数据或者 pipe 的缓存不是一个整页面，仍然需要拷贝数据。Linux 最初的实现有些问题，所以从 2.6.21 开始这个选项不起作用，后面的 Linux 版本应该会实现。
- SPLICE_F_NONBLOCK ：splice 操作不会被阻塞。然而，如果文件描述符没有被设置为不可被阻塞方式的 I/O ，那么调用 splice 有可能仍然被阻塞。
- SPLICE_F_MORE： 后面的 splice 调用会有更多的数据。
splice 调用利用了 Linux 提出的管道缓冲区机制， 所以至少一个描述符要为管道。
