在Java架构直通车——Kafka介绍和高性能原因一节中，介绍了Kafka的Zero Copy技术。本文将深入探究一下Zero Copy的缘起和原理。
零拷贝，其实说的不是真的没有拷贝，文件传输必然经历从磁盘到网卡的过程，这个过程无论如何也会有拷贝的。零拷贝说的是CPU不参与到拷贝过程。
在了解零拷贝之前，需要知道什么是DMA、什么是PageCache。
在没有 DMA 技术前，I/O 的过程是这样的：
可以看到整个过程需要CPU参与搬运数据的过程，而且这个过程，CPU 是被占用的。由此可见其效率的低下。
据此，引入了DMA技术：
通过这个 DMA 控制器，CPU 只需要告诉 DMA 控制器，我们要传输什么数据，从哪里来，到哪里去，就可以放心离开了。后续的实际数据传输工作，都会由 DMA 控制器来完成，CPU 不需要参与数据传输的工作。
从上面的图可以看出，磁盘到内存缓冲区是由DMA来拷贝完成的，而CPU只需要完成从内核态缓冲区到用户态缓冲区数据的拷贝，用图来表示是这样的：
将磁盘上的文件读取出来，然后通过网络协议发送给客户端，这个过程就如上图所示，代码通常如下，一般会需要两个系统调用：
read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);
这个过程中，共发生了 4 次用户态与内核态的上下文切换，因为发生了两次系统调用， 一次是 read() ，一次是 write() ，每次系统调用都得先从用户态切换到内核态，等内核完成任务后，再从内核态切换回用户态。其次，还发生了 4 次数据拷贝，其中两次是 DMA 的拷贝，另外两次则是通过 CPU 拷贝的。
上下文切换到成本并不小，一次切换需要耗时几十纳秒到几微秒，虽然时间看上去很短，但是在高并发的场景下，这类时间容易被累积和放大，从而影响系统的性能。
所以，要想提高文件传输的性能，就需要减少「用户态与内核态的上下文切换」和「内存拷贝」的次数。
回顾前面说道文件传输过程，其中第一步都是先需要先把磁盘文件数据拷贝「内核缓冲区」里，这个「内核缓冲区」实际上是磁盘高速缓存（PageCache）。
零拷贝使用了 PageCache 技术，可以使得零拷贝进一步提升了性能。
PageCache是根据程序的局部性原理来设计的， PageCache 缓存最近被访问的数据，当空间不足时淘汰最久未被访问的缓存。
另外，读取磁盘数据的时候，需要找到数据所在的位置，但是对于机械磁盘来说，就是通过磁头旋转到数据所在的扇区，再开始「顺序」读取数据，但是旋转磁头这个物理动作是非常耗时的，为了降低它的影响，PageCache 使用了「预读功能」。
比如，假设 read 方法每次只会读 32 KB 的字节，虽然 read 刚开始只会读 0 ～ 32 KB 的字节，但内核会把其后面的 32～64 KB 也读取到 PageCache，这样后面读取 32～64 KB 的成本就很低，如果在 32～64 KB 淘汰出 PageCache 前，进程读取到它了，收益就非常大。
PageCache 的优点主要是两个：
零拷贝技术实现的方式通常有 2 种：
下面就谈一谈，它们是如何减少「上下文切换」和「数据拷贝」的次数。
mmap()系统调用函数会直接把内核缓冲区里的数据「映射」到用户空间，这样，操作系统内核与用户空间就不需要再进行任何的数据拷贝操作。
我们可以看到这只减少了一次拷贝，仍然需要 4 次上下文切换。
sendfile()可以替代前面的 read() 和 write() 这两个系统调用，这样就可以减少一次系统调用，也就减少了 2 次上下文切换的开销。
sendfile()也就减少了 2 次上下文切换的开销，减少了1次拷贝。
但是上述拷贝还不是真正的零拷贝技术，如果网卡支持 SG-DMA（The Scatter-Gather Direct Memory Access）技术（和普通的 DMA 有所不同），我们可以进一步减少通过 CPU 把内核缓冲区里的数据拷贝到 socket 缓冲区的过程。
这就是所谓的零拷贝（Zero-copy）技术，因为我们没有在内存层面去拷贝数据，也就是说全程没有通过 CPU 来搬运数据，所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的。
零拷贝技术的文件传输方式相比传统文件传输的方式，减少了 2 次上下文切换和数据拷贝次数，只需要 2 次上下文切换和数据拷贝次数，就可以完成文件的传输，而且 2 次的数据拷贝过程，都不需要通过 CPU，2 次都是由 DMA 来搬运。
如果你追溯 Kafka 文件传输的代码，你会发现，最终它调用了 Java NIO 库里的 transferTo 方法：
@Overridepublic
long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException {
return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
}
如果 Linux 系统支持 sendfile() 系统调用，那么 transferTo() 实际上最后就会使用到 sendfile() 系统调用函数。
另外，Nginx 也支持零拷贝技术，一般默认是开启零拷贝技术，这样有利于提高文件传输的效率，是否开启零拷贝技术的配置如下：
http {
...
sendfile on
...
}
sendfile 配置的具体意思:
设置为 on 表示，使用零拷贝技术来传输文件：sendfile ，这样只需要 2 次上下文切换，和 2 次数据拷贝。
设置为 off 表示，使用传统的文件传输技术：read + write，这时就需要 4 次上下文切换，和 4 次数据拷贝。