面试必备：零拷贝详解

前言

零拷贝是老生常谈的问题啦，大厂非常喜欢问。比如Kafka为什么快，RocketMQ为什么快等，都涉及到零拷贝知识点。最近技术讨论群几个伙伴分享了阿里、虾皮的面试真题，也都涉及到零拷贝。因此本文将跟大家一起来学习零拷贝原理。

1. 什么是零拷贝

2. 传统的IO执行流程

3. 零拷贝相关的知识点回顾

4. 零拷贝实现的几种方式

5. java提供的零拷贝方式

1.什么是零拷贝

零拷贝字面上的意思包括两个，“零”和“拷贝”：

• “拷贝”：就是指数据从一个存储区域转移到另一个存储区域。

• “零” ：表示次数为0，它表示拷贝数据的次数为0。

合起来，那零拷贝就是不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域咯。

零拷贝是指计算机执行IO操作时，CPU不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及CPU的拷贝时间。它是一种I/O操作优化技术。

2. 传统 IO 的执行流程

做服务端开发的小伙伴，文件下载功能应该实现过不少了吧。如果你实现的是一个web程序，前端请求过来，服务端的任务就是：将服务端主机磁盘中的文件从已连接的socket发出去。关键实现代码如下：

while((n = read(diskfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)
    write(sockfd, buf , n);

传统的IO流程，包括read和write的过程。

• read：把数据从磁盘读取到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区

• write：先把数据写入到socket缓冲区，最后写入网卡设备。

流程图如下：

 

• 用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用，上下文从用户态转为内核态（切换1）

• DMA控制器把数据从磁盘中，读取到内核缓冲区。

• CPU把内核缓冲区数据，拷贝到用户应用缓冲区，上下文从内核态转为用户态（切换2），read函数返回

• 用户应用进程通过write函数，发起IO调用，上下文从用户态转为内核态（切换3）

• CPU将用户缓冲区中的数据，拷贝到socket缓冲区

• DMA控制器把数据从socket缓冲区，拷贝到网卡设备，上下文从内核态切换回用户态（切换4），write函数返回

从流程图可以看出，传统IO的读写流程，包括了4次上下文切换（4次用户态和内核态的切换），4次数据拷贝（两次CPU拷贝以及两次的DMA拷贝)，什么是DMA拷贝呢？我们一起来回顾下，零拷贝涉及的操作系统知识点哈。

3. 零拷贝相关的知识点回顾

3.1 内核空间和用户空间

我们电脑上跑着的应用程序，其实是需要经过操作系统，才能做一些特殊操作，如磁盘文件读写、内存的读写等等。因为这些都是比较危险的操作，不可以由应用程序乱来，只能交给底层操作系统来。

因此，