从理论到实践：零拷贝技术的全面解读

目录

一、I/O 工作方式

        1.1 DMA

二、零拷贝

        2.1 传统数据拷贝

        2.2 Java 应用数据处理

        2.3. 零拷贝流程

三、零拷贝案例

四、总结

---

一、I/O 工作方式

        磁盘可以说是计算机系统中最慢的硬件之一，读写速度相差内存10倍以上，所以针对磁盘的优化技术非常多。下面以文件传输为切入线分析 I/O 的工作方式。

        在没有 DMA 技术前，I/O 是这样工作的，如下图：

1. 用户发起 read 调用，CPU 将对应的指令给磁盘控制器，然后返回；
2. 磁盘控制器收到指令后，开始准备数据，会把数据放到磁盘控制器的内存缓冲区中，然后产生一个中断；
3. 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次一个字节的读到自己的寄存器中，然后再把寄存器里的数据写到内存中，而在数据传输期间，CPU 无法执行其它任务。

        可以看到，整个传输过程，都需要 CPU 亲自搬运数据，，而且这个过程是阻塞的，CPU 不能做其他的工作，简单的搬运几个字符问题不大，如果是搬运大量的数据，肯定忙不过来。于是 DMA 技术诞生了。

        1.1 DMA

        DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）技术是一种在计算机系统中用于高效数据传输的技术，它允许数据在设备和内存之间直接传输，而无需 CPU 的干预。DMA 技术显著提高了数据传输的速度和系统的整体性能，因为它减少了 CPU 的负担，使得 CPU 可以专注于其他更重要的任务。

        工作流程图如下：

1. 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中，进程进入阻塞状态；
2. 操作系统收到请求后，进一步将 I/O 请求发送到 DMA，然后让 CPU 执行其他任务；
3. DMA 将请求发送到磁盘；
4. 磁盘收到请求后，把数据从磁盘读取到缓冲区中，当磁盘控制器的缓冲区读满后，向 DMA 发起中断信号，告知自己缓冲区已满；DMA 收到磁盘的信号，将磁盘控制器缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区，此时不占用 CPU；
5. 当 DMA 读了足够多的数据，就会发出中断信号给 CPU；
6. CPU 收到 DMA 信号，知道数据准备好了，于是将数据从内核拷贝到内核空间，系统调用返回。

        可以看到，整个数据传输过程，CPU不在参与数据搬运的工作，而是全程由DMA完成，但是CPU在这个过程中也是必不可少的，因为传输什么数据，从哪里传输到哪里，都需要CPU来告诉DMA控制器。

二、零拷贝