什么是零拷贝技术
传统I/O方式中，数据从磁盘到发送到网卡需要被拷贝4次(2次DMA拷贝，2次CPU拷贝)
DMA（Direct Memory Access，直接内存访问） 是一种 硬件机制，允许 外设（如磁盘、网卡）直接与内存进行数据交换，而无需 CPU 参与数据搬运。
- 传统方式IO拷贝过程
磁盘 --(DMA)→ 内核缓冲区 --(CPU拷贝)→ 用户缓冲区 --(CPU拷贝)→ Socket 缓冲区 --(DMA)→ 网卡
零拷贝是一种I/O优化技术。两次DMA拷贝是依赖硬件完成的，是必不可少的。零拷贝主要是减少了 CPU 拷贝及上下文的切换。
目前来看，零拷贝技术的几个实现手段包括：mmap+write、sendfile、sendfile+DMA收集、splice等。
零拷贝技术原理
不同文件传输方式的数据拷贝对比
| 方式 | CPU 拷贝次数 | DMA 拷贝次数 | 使用的系统 API | 上下文切换 | 特点 |
|---|---|---|---|---|---|
传统 I/O (read + write) |
2 次（read：内核 → 用户，write：用户 → 内核） |
2 次（磁盘 → 内核，Socket → 网卡） | read(), write() |
2 次（read 和 write 都需要用户态切换） |
最低效，CPU 负担最大 |
mmap + write |
1 次（write：用户 → 内核） |
2 次（磁盘 → 内核，Socket → 网卡） | mmap(), write() |
1 次（write 触发内核态切换） |
比 read + write 少一次 CPU 拷贝 |
sendfile |
1 次（sendfile 直接从内核页缓存拷贝到 Socket） |
2 次（磁盘 → 内核，Socket → 网卡） | sendfile() |
1 次（sendfile 触发内核态切换） |
仅在内核中拷贝数据，无需用户态干预 |
sendfile + DMA |
0 次（完全零拷贝） | 2 次（磁盘 → 内核，Socket → 网卡） | sendfile() + TCP_CORK（Linux 2.4+） |
1 次（sendfile 触发内核态切换） |
最高效，CPU 不参与拷贝 |
mmap，内存映射，减少了一次将数据从内核缓冲区copy到用户缓冲区的过程。
sendfile在mmap的基础上，进一步简化，将数据直接从内核缓冲区copy到Socket发送缓冲区。
mmap方式
mmap（memory map）是一种内存映射文件的方法，应用程序可以直接操作文件数据，无需显式复制。
mmap + write 的优点
- 适用于大文件：mmap 允许部分文件映射，可以在大文件操作时减少磁盘 I/O 。
- 适用于进程间共享：多个进程可以共享 mmap 映射的内存，提高访问效率。
- 降低 read() 负担：避免 read() 的 CPU 拷贝开销，仅依赖 write() 。
mmap + write 的缺点
- write() 仍然需要 CPU 参与拷贝，不能完全避免 CPU 负担。
- 受页缓存影响：如果数据访问模式导致频繁缺页，性能可能会下降。
- 可能占用较大内存：映射大文件时，需要分配用户态地址空间，内存使用较高。
磁盘文件 ───► 内核页缓存（mmap映射，无拷贝）
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▼
用户空间映射区
│
▼
write 触发数据拷贝（用户空间 → 内核态 Socket 发送缓冲区）
│
▼
Socket 发送缓冲区
│
▼
DMA 直接传输到网卡（无拷贝）
sendfile
sendfile 的优点
- 更适合网络传输：sendfile 直接在内核态完成数据传输，避免用户空间拷贝，特别适合 Web 服务器、文件下载服务。
- 减少 CPU 负担：相比 mmap + write，sendfile 直接从页缓存拷贝数据到 Socket，CPU 负担更低。
- 减少系统调用：sendfile 只需一次系统调用，而 mmap + write 需要 mmap() + write()。
sendfile 的缺点
- 仍然有一次 CPU 拷贝：虽然比 mmap + write 少，但 sendfile 仍然需要一次 页缓存 → Socket 缓冲区 的 CPU 拷贝。
- 不支持用户空间数据：只能传输 文件描述符之间的数据，无法处理 malloc() 申请的用户空间数据。
- 不适用于进程间共享：sendfile 仅用于 文件传输，不能用于 进程间数据共享。
磁盘文件 ───► 内核页缓存（无需 mmap，直接读取）
│
▼
sendfile 触发数据拷贝（内核页缓存 → Socket 发送缓冲区）
│
▼
Socket 发送缓冲区
│
▼
DMA 直接传输到网卡（无拷贝）
Java中零拷贝技术的实践
在 Java 中，零拷贝（Zero-Copy）技术主要用于高效的数据传输，避免不必要的 CPU 拷贝和用户态/内核态切换。常见的零拷贝技术有：
MappedByteBuffer（基于 mmap）
适用于： 大文件读写、日志存储、进程间通信（IPC）。DirectByteBuffer是MappedByteBuffer的具体实现类。
FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("data.log"),
StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.WRITE);
MappedByteBuffer buffer = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, fileChannel.size());
buffer.put("Hello Zero-Copy!".getBytes()); // 直接操作内存，无需拷贝
FileChannel.transferTo() / transferFrom()（基于 sendfile）
适用于： 大文件传输（如 Web 服务器、日志存储）
try (FileChannel sourceChannel = new FileInputStream("source.txt").getChannel();
FileChannel destChannel = new FileOutputStream("dest.txt").getChannel()) {
sourceChannel.transferTo(0, sourceChannel.size(), destChannel);
}
Netty的零拷贝
1）基于 sendfile 的 FileRegion 适用于： 高并发网络通信（如 RPC、WebSocket、TCP 服务器）
FileChannel fileChannel = new FileInputStream("largeFile.txt").getChannel();
DefaultFileRegion fileRegion = new DefaultFileRegion(fileChannel, 0, fileChannel.size());
ChannelFuture future = channel.writeAndFlush(fileRegion);
future.addListener(f -> fileChannel.close()); // 发送完成后关闭文件
2）CompositeByteBuf（避免数据拷贝）
CompositeByteBuf只是逻辑合并多个ByteBuf，但数据仍然存储在 JVM 内存（堆或堆外），不涉及磁盘文件。CompositeByteBuf是纯用户态的，mmap依赖操作系统内核。
ByteBuf header = Unpooled.wrappedBuffer("Header".getBytes());
ByteBuf body = Unpooled.wrappedBuffer("Body".getBytes());
CompositeByteBuf response = Unpooled.compositeBuffer();
response.addComponents(header, body);