面試官：說說零拷貝的實現原理？
零拷貝（Zero-copy）技術是一種計算機操作系統中用于提高數據傳輸效率的優化策略。在傳統的數據傳輸過程中，需要將數據從一個緩沖區拷貝到另一個緩沖區，然后再傳輸給目標。這涉及到多次的 CPU 和內存之間的數據拷貝操作，會消耗 CPU 的時間和內存帶寬。而零拷貝技術通過直接共享數據的內存地址，避免了中間的拷貝過程，從而提高了數據傳輸的效率。
1.傳統 IO 執行流程
要搞明白零拷貝技術就要先搞清楚傳統 IO 的執行流程，傳統的 IO 的執行流程如下：
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1.1 用戶態和內核態
操作系統有用戶態和內核態之分，這是因為計算機體系結構中的操作系統設計了兩個不同的執行環境，以提供不同的功能和特權級別。
- 用戶態（User Mode）是指應用程序運行時的執行環境。在用戶態下，應用程序只能訪問受限資源，如應用程序自身的內存空間、CPU 寄存器等，并且不能直接訪問操作系統的底層資源和硬件設備。
- 內核態（Kernel Mode）是指操作系統內核運行時的執行環境。在內核態下，操作系統具有更高的權限，可以直接訪問系統的硬件和底層資源，如 CPU、內存、設備驅動程序等。
1.2 DMA
DMA（Direct Memory Access，直接內存訪問）技術，繞過 CPU，直接在內存和外設之間進行數據傳輸。這樣可以減少 CPU 的參與，提高數據傳輸的效率。
2.零拷貝技術的實現
零拷貝技術可以利用 Linux 下的 MMap、sendFile 等手段來實現，使得數據能夠直接從磁盤映射到內核緩沖區，然后通過 DMA 傳輸到網卡緩存，整個過程中 CPU 只負責管理和調度，而無需執行實際的數據復制指令。
2.1 MMap
MMap（Memory Map）是 Linux 操作系統中提供的一種將文件映射到進程地址空間的一種機制，通過 MMap 進程可以像訪問內存一樣訪問文件，而無需顯式的復制操作。
使用 MMap 可以把 IO 執行流程優化成以下執行步驟：
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傳統的 IO 需要四次拷貝和四次上下文（用戶態和內核態）切換，而 MMap 只需要三次拷貝和四次上下文切換，從而能夠提升程序整體的執行效率，并且節省了程序的內存空間。
2.2 senFile 方法
在 Linux 操作系統中 sendFile() 是一個系統調用函數，用于高效地將文件數據從內核空間直接傳輸到網絡套接字（Socket）上，從而實現零拷貝技術。這個函數的主要目的是減少 CPU 上下文切換以及內存復制操作，提高文件傳輸性能。
使用 sendFile() 可以把 IO 執行流程優化成以下執行步驟：
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3.哪些地方用到了零拷貝技術？
在 Java 中，以下幾個地方使用了零拷貝技術：
- NIO（New I/O）通道：java.nio.channels.FileChannel 提供了 transferTo() 和 transferFrom() 方法，可以直接將數據從一個通道傳輸到另一個通道，例如從文件通道直接傳輸到 Socket 通道，整個過程無需將數據復制到用戶空間緩沖區，從而實現了零拷貝。
- Socket Direct Buffer：在 JDK 1.4 及更高版本中，Java NIO 支持使用直接緩沖區（DirectBuffer），這類緩沖區是在系統堆外分配的，可以直接由網卡硬件進行 DMA 操作，減少數據在用戶態與內核態之間復制次數 ，提高網絡數據發送效率。
- Apache Kafka 或者 Netty 等高性能框架：這些框架在底層實現上通常會利用 Java NIO 的上述特性來優化數據傳輸，如 Kafka 生產者和消費者在傳輸消息時會用到零拷貝技術以提升性能。
小結
使用零拷貝技術可以減少 CPU 拷貝，及減少了上下文的切換帶來的性能開銷，提高了程序的整體執行效率，它們的區別對比如下表格所示：
CPU 拷貝/次數 | DMA 拷貝/次數 | 上下文切換/次數 | |
傳統 IO | 2 | 2 | 4 |
MMap | 1 | 2 | 4 |
sendFile() | 1 | 2 | 2 |
課后思考
無論是傳統 IO，還是零拷貝，其中兩次 DMA 拷貝都不能省略，這是為什么？零拷貝技術除了 MMap 和 sendFile() 之外，還有沒有其他的技術實現？
