零拷贝
传统网络I/O
如果服务端要提供文件传输的功能，我们能想到的最简单的方式是：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。
传统 I/O 的工作方式是，数据读取和写入是从用户空间到内核空间来回复制，而内核空间的数据是通过操作系统层面的 I/O 接口从磁盘读取或写入。
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);4次数据拷贝和4次上下文切换
4 次数据拷贝
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把磁盘上的数据拷贝到操作系统内核的缓冲区里，这个拷贝的过程是通过 DMA 完成的
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把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，于是我们应用程序就可以使用这部分数据了，这个拷贝到过程是由 CPU 完成的。
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把刚才拷贝到用户的缓冲区里的数据，再拷贝到内核的 socket 的缓冲区里，这个过程依然还是由 CPU 搬运的。
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把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程又是由 DMA 完成的。
4次上下文切换
涉及到2次系统调用
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read 系统调用时：用户态切换到内核态
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read 系统调用完毕：内核态切换回用户态
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write 系统调用时：用户态切换到内核态
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write 系统调用完毕：内核态切换回用户态
这种简单又传统的文件传输方式，存在冗余的上文切换和数据拷贝，在高并发系统里是非常糟糕的，多了很多不必要的开销，会严重影响系统性能。
所以，要想提高文件传输的性能，就需要减少「上下文切换」和「内存拷贝」的次数。
DMA
DMA 技术很容易理解，本质上，DMA 技术就是我们在主板上放一块独立的芯片。在进行内存和 I/O 设备的数据传输的时候，我们不再通过 CPU 来控制数据传输，而直接通过 DMA 控制器（DMA Controller，简称 DMAC）。这块芯片，我们可以认为它其实就是一个协处理器。
DMAC 的价值在如下情况中尤其明显：当我们要传输的数据特别大、速度特别快，或者传输的数据特别小、速度特别慢的时候。
比如说，我们用千兆网卡或者硬盘传输大量数据的时候，如果都用 CPU 来搬运的话，肯定忙不过来，所以可以选择 DMAC。而当数据传输很慢的时候，DMAC 可以等数据到齐了，再发送信号，给到 CPU 去处理，而不是让 CPU 在那里忙等待。
注意：这里面的“协”字。DMAC 是在“协助”CPU，完成对应的数据传输工作。在 DMAC 控制数据传输的过程中，DMAC 还是被 CPU 控制，只是数据的拷贝行为不再由 CPU 来完成。
原本，计算机所有组件之间的数据拷贝（流动）必须经过 CPU。以磁盘读写为例，如下图所示：
现在，DMAC 代替了 CPU 负责内存与磁盘、内存与网卡之间的数据搬运，CPU 作为 DMAC 的控制者，如下图所示：
但是 DMAC 有其局限性，DMAC 仅仅能用于设备间交换数据时进行数据拷贝，但是设备内部的数据拷贝还需要 CPU 来亲力亲为。例如， CPU 需要负责内核空间与用户空间之间的数据拷贝（内存内部的拷贝），如下图所示：
零拷贝
零拷贝技术是一个思想，指的是指计算机执行操作时，不需要CPU拷贝。
可见，零拷贝的特点是 CPU 不全程负责内存中的数据写入其他组件，CPU 仅仅起到管理的作用。但注意，零拷贝不是不进行拷贝，而是 CPU 不再全程负责数据拷贝时的搬运工作。如果数据本身不在内存中，那么必须先通过某种方式拷贝到内存中（这个过程 CPU 可以仅仅负责管理，DMAC 来负责具体数据拷贝），因为数据只有在内存中，才能被转移，才能被 CPU 直接读取计算。
零拷贝技术的具体实现方式有很多，例如：
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mmap
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sendfile
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splice
mmap+write
虚拟内存
现代操作系统都使用虚拟内存，使用虚拟地址取代物理地址，主要有以下几点好处：
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多个虚拟内存可以指向同一个物理地址。
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虚拟内存空间可以远远大于物理内存空间。
利用上述的第一条特性可以优化，可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样在 I/O 操作时就不需要来回复制了。
mmap+write简单来说就是使用mmap替换了read+write中的read操作，减少了一次CPU的拷贝。
mmap主要实现方式是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射，内核缓冲区和应用缓冲区共享，从而减少了从读缓冲区到用户缓冲区的一次CPU拷贝。
整个过程发生了4次上下文切换和3次拷贝，具体流程如下：
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用户进程通过
mmap()方法向操作系统发起调用，上下文从用户态转向内核态 -
DMA控制器把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区
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上下文从内核态转为用户态，mmap调用返回
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用户进程通过
write()方法发起调用，上下文从用户态转为内核态 -
CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
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DMA控制器把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，上下文从内核态切换回用户态，
write()返回
mmap的方式节省了一次CPU拷贝，同时由于用户进程中的内存是虚拟的，只是映射到内核的读缓冲区，所以可以节省一半的内存空间，比较适合大文件的传输。
sendfile
sendfile是Linux2.1内核版本后引入的一个系统调用函数，通过使用sendfile数据可以直接在内核空间进行传输，因此避免了用户空间和内核空间的拷贝，同时由于使用sendfile替代了read+write从而节省了一次系统调用。
整个过程发生了2次上下文切换和3次拷贝，具体流程如下：
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用户进程通过
sendfile()方法向操作系统发起调用，上下文从用户态转向内核态 -
DMA控制器把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区
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CPU将读缓冲区中数据拷贝到socket缓冲区
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DMA控制器把数据从socket缓冲区拷贝到网卡，上下文从内核态切换回用户态，
sendfile调用返回
sendfile方法IO数据对用户空间完全不可见，所以只能适用于完全不需要用户空间处理的情况，比如静态文件服务器。
sendfile+DMA Scatter/Gather
Linux2.4内核版本之后对sendfile做了进一步优化，通过引入新的硬件支持，这个方式叫做DMA Scatter/Gather 分散/收集功能。
它将读缓冲区中的数据描述信息--内存地址和偏移量记录到socket缓冲区，由 DMA 根据这些将数据从读缓冲区拷贝到网卡，相比之前版本减少了一次CPU拷贝的过程
整个过程发生了2次用户态和内核态的上下文切换和2次拷贝，其中更重要的是完全没有CPU拷贝，具体流程如下：
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用户进程通过
sendfile()方法向操作系统发起调用，上下文从用户态转向内核态 -
DMA控制器利用scatter把数据从硬盘中拷贝到读缓冲区离散存储
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CPU把读缓冲区中的文件描述符和数据长度发送到socket缓冲区
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DMA控制器根据文件描述符和数据长度，使用scatter/gather把数据从内核缓冲区拷贝到网卡
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sendfile()调用返回，上下文从内核态切换回用户态
DMA gather和sendfile需要硬件支持
splice
splice 调用和sendfile 非常相似，用户应用程序必须拥有两个已经打开的文件描述符，一个表示输入设备，一个表示输出设备。与sendfile不同的是，splice允许任意两个文件互相连接，而并不只是文件与socket进行数据传输。对于从一个文件描述符发送数据到socket这种特例来说，一直都是使用sendfile系统调用，而splice一直以来就只是一种机制，它并不仅限于sendfile的功能。也就是说 sendfile 是 splice 的一个子集。
在 Linux 2.6.17 版本引入了 splice，而在 Linux 2.6.23 版本中， sendfile 机制的实现已经没有了，但是其 API 及相应的功能还在，只不过 API 及相应的功能是利用了 splice 机制来实现的。
和 sendfile 不同的是，splice 不需要硬件支持。
总结
由于CPU和IO速度的差异问题，产生了DMA技术，通过DMA搬运来减少CPU的等待时间。
传统的IOread+write方式会产生2次DMA拷贝+2次CPU拷贝，同时有4次上下文切换。
而通过mmap+write方式则产生2次DMA拷贝+1次CPU拷贝，4次上下文切换，通过内存映射减少了一次CPU拷贝，可以减少内存使用，适合大文件的传输。
sendfile方式是新增的一个系统调用函数，产生2次DMA拷贝+1次CPU拷贝，但是只有2次上下文切换。因为只有一次调用，减少了上下文的切换，但是用户空间对IO数据不可见，适用于静态文件服务器。
sendfile+DMA gather方式产生2次DMA拷贝，没有CPU拷贝，而且也只有2次上下文切换。虽然极大地提升了性能，但是需要依赖新的硬件设备支持。
