零拷贝（zero copy）
所谓的零拷贝不是不拷贝，而是不经过CPU拷贝，它还是需要拷贝的（比如将数据从硬盘拷贝到内核态），这个零拷贝是从操作系统（CPU）的角度看的
内核空间和用户空间
电脑上运行的应用程序，在执行一些敏感操作时是需要经过操作系统才能完成的，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，操作系统为每个进程分配的内存中一部分是用户空间，一部分是内核空间。内核空间是操作系统内核访问的区域，是受保护的内存空间，而用户空间是用户应用程序访问的内存区域。
- 内核空间：主要提供进程调度、内存分配、连接硬件资源等功能
- 用户空间：提供给各个程序进程的空间，不能直接访问内核空间资源，如果应用程序需要使用到内核空间的资源，则需要通过系统调用来完成。进程从用户空间切换到内核空间，完成相关操作后，再从内核空间切换回用户空间。
如果进程运行于内核空间，被称为进程的内核态
如果进程运行于用户空间，被称为进程的用户态
CPU上下文切换
CPU执行任务的指令需要通过CPU寄存器（CPU 寄存器是CPU内置的内存，虽然容量小但读写速度极快）和程序计数器（存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置）因此叫做CPU上下文
CPU上下文切换需要把前一个任务的CPU上下文（也就是CPU寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。
进程从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。系统调用的过程，会发生CPU上下文的切换
将原来用户态任务的指令位置先保存起来。接着为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。
DMA（direct memory access 直接内存通道）
DMA控制器本质上是一块主板上独立的芯片，允许外设设备和内存存储器直接进行IO数据传输，其过程不需要CPU的参与。相当于把内核空间和用户空间临时视作一体，这样将数据从内核态拷贝到用户态，或者从用户态拷贝到内核缓冲区就不会发生cpu上下文切换
传统的IO拷贝
底层执行过程：
1.用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用（用户态切换到内核态），CPU将硬盘上的数据使用DMA拷贝到内核缓冲区
2.CPU将数据从内核缓存拷贝到应用程序内存（内核态切换到用户态），read函数返回
3.在应用程序内存，用户进程可以对数据进行操作修改等，然后调用write函数向操作系统发起IO调用（用户态切换到内核态），CPU将数据从用户内存拷贝到socket缓冲区
4.CPU将数据从socket缓冲区使用DMA拷贝到网卡，write函数返回（内核态切换到用户态）
经过以上的步骤完成数据从本地硬盘传输到网络上的过程
可知，传统IO使用了4次拷贝中，前3次都发生了CPU上下文切换，并且使用了2次DMA拷贝，2次CPU拷贝：1.硬盘—>内核（用户态切换到内核态），2.内核—>jvm程序内存（内核态切换到用户态），3.jvm程序内存—>socket缓冲区（用户态切换到内核态），4.socket缓冲区—>网卡，随后write函数返回，发送完成（内核态切换到用户态）
在Java程序中，零拷贝技术分为两种：mmap（内存映射）和sendFile
两种技术的核心思想：减少CPU切换的次数和拷贝的次数，就能加快数据传输的速度
mmap（memory map） ：这个系统调用函数可以让部分内核态数据和用户态数据共享，此时不需要将数据从内核拷贝到用户态，用户态也可以对数据进行修改，相当于将内核态数据映射到了用户态内存，所以叫memory map
使用mmap技术后，将文件发送到网络的步骤如下
1.用户应用进程调用mmap函数，向操作系统发起IO调用（用户态切换到内核态），CPU将硬盘上的数据使用DMA拷贝到内核缓冲区
2.mmap函数返回（内核态切换到用户态），用户进程可以对数据进行操作修改等
3.用户进程调用write函数向操作系统发起IO调用（用户态切换到内核态），CPU将数据从内核缓冲区使用拷贝到socket缓冲区
4.CPU将数据从socket缓冲区使用DMA拷贝到网卡，write函数返回（内核态切换到用户态）
经过了mmap的优化后，数据的读写比传统IO少了一次拷贝的过程，并且少的那次拷贝还是CPU拷贝
mmap使用了3次拷贝和4次上下文切换：硬盘—>内核（用户态切换到内核态），mmap函数返回（内核态切换到用户态），内核—>socket缓冲区（内核态切换到用户态），socket缓冲区—>网卡，随后write函数返回（内核态切换到用户态）
sendFile： sendfile是Linux2.1内核版本后引入的一个系统调用函数，它专门用来传输数据，并且在内核态中完成传输操作。避免多次的CPU上下文切换。linux 2.4版本之后，对sendfile做了优化升级，引入SG-DMA技术，让DMA可以直接从内核空间缓冲区中将数据读取到网卡。
使用sendfile系统调用后，将文件发送到网络的步骤如下
1.用户进程发起sendfile系统调用（用户态切换到内核态）， CPU将硬盘上的数据使用DMA拷贝到内核缓冲区
2.CPU把内核缓冲区中的文件描述符信息（包括内核缓冲区的内存地址和偏移量）发送到socket缓冲区
3.CPU把数据从socket缓冲区使用DMA拷贝到网卡，sendfile调用返回（内核态切换到用户态）
可以发现，sendfile系统调用+DMA控制器实现的零拷贝，只发生了2次CPU上下文切换，以及2次DMA拷贝。这就是真正的 零拷贝（Zero-copy) 技术，全程都没有通过CPU来搬运数据，所有的数据都是通过DMA来进行传输的。
Java NIO对mmap技术的实现
Java NIO中有一个MappedByteBuffer类，其底层是调用了Linux内核的mmap的API
public class ZeroCopyTest {
@Test
public void mmapTest() throws IOException {
//创建FileChannel通道，并赋予可读权限
FileChannel fileChannel=FileChannel.open(Paths.get("C:\Users\test\Desktop\aaa.jpeg"), StandardOpenOption.READ);
//创建mmap容器，并读取指定的数据到容器中
MappedByteBuffer map = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fileChannel.size());
//创建目标文件的通道，并赋予创建、写入权限
FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("C:\Users\test\Desktop\bbb.jpeg"), StandardOpenOption.CREATE,StandardOpenOption.WRITE);
//数据传输
writeChannel.write(map);
System.out.println("写入完成");
fileChannel.close();
writeChannel.close();
}
}
Java NIO对sendFile技术的实现
FileChannel的transferTo()/transferFrom()方法，底层就是通过sendfile() 系统调用函数来实现，Kafka 这个开源项目也是用到它
public class ZeroCopyTest {
@Test
public void sendFileTest() throws IOException {
FileChannel fileChannel=FileChannel.open(Paths.get("C:\Users\test\Desktop\aaa.jpeg"), StandardOpenOption.READ);
FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("C:\Users\test\Desktop\bbb.jpeg"), StandardOpenOption.CREATE,StandardOpenOption.WRITE);
//使用transferTo数据传输，指定数据传输的大小
fileChannel.transferTo(0,fileChannel.size(),writeChannel);
//使用transferFrom来拷贝也可以，只是调用者需要反过来
//writeChannel.transferFrom(fileChannel,0,fileChannel.size());
System.out.println("写入完成");
fileChannel.close();
writeChannel.close();
}
}
