传统IO模型，上下文切换（陷入内核），内存拷贝
DMA
mmap
sendfile
在介绍零拷贝之前，需要先了解传统的阻塞I/O模型。
DMA
在没有DMA之前，在阻塞I/O的模式下，从磁盘读取到网卡发送：
while((n = read(diskfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)
write(sockfd, buf , n);
工作流程如下： 
可以发现，在从磁盘读取的过程中，涉及到了两次CPU拷贝，两次上下文切换。在从向socket写数据的过程中，也涉及到了两次CPU拷贝，两次上下文切换，一共涉及到了四次CPU拷贝，四次上下文切换。
拷贝数据这种任务，属于又脏又耗时间的活，如果都让CPU干了，别的线程就要急死了，所以我们要想办法减少甚至不让CPU参与进来！
所以就引入了直接内存访问（Direct Memory Access，DMA），它就像CPU的小弟一样，指哪打哪。用来代替CPU完成数据拷贝这种任务。
DMA传输将数据从一个地址空间复制到另一个地址空间，提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。当CPU初始化这个传输动作，传输动作本身是由DMA控制器来实现和完成的。DMA传输方式无需CPU直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场过程，通过硬件为RAM和IO设备开辟一条直接传输数据的通道，使得CPU的效率大大提高。
在加入DMA后，工作流程有了一些改变：
可以看出，现在一共涉及到了两次CPU拷贝，四次上下文切换。
零拷贝
【linux】图文并茂|彻底搞懂零拷贝（Zero-Copy）技术 - 知乎 (zhihu.com)
看一遍就理解：零拷贝原理详解 - 知乎 (zhihu.com)
我们可以看到，如果应用程序不对数据做修改，从内核缓冲区到用户缓冲区，再从用户缓冲区到内核缓冲区。两次数据拷贝都需要CPU的参与，并且涉及用户态与内核态的多次切换，加重了CPU负担。所以引入了零拷贝技术。
零拷贝字面上的意思包括两个，零和拷贝：
- 拷贝：就是指数据从一个存储区域转移到另一个存储区域。
- 零：表示次数为0，它表示拷贝数据的次数为0。
mmap
Linux内核黑科技——mmap实现详解 - 知乎 (zhihu.com)
mmap的函数原型如下：
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
mmap是Linux提供的一种内存映射文件的机制，它实现了将内核空间缓冲区（Page Cache）与用户空间缓冲区地址进行映射，从而实现内核缓冲区与用户缓冲区的共享。我们知道，对文件进行读写时需要经过页缓存进行中转的。所以当虚拟内存地址映射到文件的页缓存后，就可以直接通过读写映射区内存来对文件进行读写操作。
下面介绍一下
mmap函数的各个参数作用：
addr：指定映射的虚拟内存地址，可以设置为 NULL，让 Linux 内核自动选择合适的虚拟内存地址。
length：映射的长度。
prot：映射内存的保护模式，可选值如下：
PROT_EXEC：可以被执行。PROT_READ：可以被读取。PROT_WRITE：可以被写入。PROT_NONE：不可访问。
flags：指定映射的类型，常用的可选值如下：
MAP_FIXED：使用指定的起始虚拟内存地址进行映射。MAP_SHARED：与其它所有映射到这个文件的进程共享映射空间（可实现共享内存）。MAP_PRIVATE：建立一个写时复制（Copy on Write）的私有映射空间。MAP_LOCKED：锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。- ...
fd：进行映射的文件句柄。
offset：文件偏移量（从文件的何处开始映射）。介绍完
mmap函数的原型后，我们现在通过一个简单的例子介绍怎么使用mmap：int fd = open(filepath, O_RDWR, 0644); // 打开文件 void *addr = mmap(NULL, 8192, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 4096); // 对文件进行映射在上面例子中，我们先通过
open函数以可读写的方式打开文件，然后通过mmap函数对文件进行映射，映射的方式如下：
addr参数设置为 NULL，表示让操作系统自动选择合适的虚拟内存地址进行映射。length参数设置为 8192 表示映射的区域为 2 个内存页的大小（一个内存页的大小为 4 KB）。prot参数设置为PROT_WRITE表示映射的内存区为可读写。flags参数设置为MAP_SHARED表示共享映射区。fd参数设置打开的文件句柄。offset参数设置为 4096 表示从文件的 4096 处开始映射。
利用这一点，我们就无需将内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区，直接在用户缓冲区操作，就相当于在内核缓冲区（Page Cache）上操作。
现在涉及到了一次CPU拷贝，四次上下文切换。并且用户进程内存是虚拟的，只是映射到内核的读缓冲区，可以节省一半的内存空间。
sendfile
我们知道上下文切换也是非常耗时的，CPU需要保存当前线程的状态上下文，并且还原要执行线程的状态上下文。但也是不可或缺的，因为些特殊操作，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，需要程序陷入内核态，才可以执行特权操作，我们现在涉及到了两次陷入内核，相当于四次切换上下文，还需要想办法优化。
sendfile是Linux2.1内核版本后引入的一个系统调用函数，API如下：
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
- out_fd:为待写入内容的文件描述符，一个socket描述符。
- in_fd:为待读出内容的文件描述符，必须是真实的文件，不能是socket和管道。
- offset：指定从读入文件的哪个位置开始读，如果为NULL，表示文件的默认起始位置。
- count：指定在fdout和fdin之间传输的字节数。
sendfile表示在两个文件描述符之间传输数据，它是在操作系统内核中操作的，避免了数据从内核缓冲区和用户缓冲区之间的拷贝操作，因此可以使用它来实现零拷贝。
现在涉及到了一次CPU拷贝，两次上下文切换。人总是贪婪的，能不能不要CPU原地打滚，直接使用现成的数据呢？
sendfile+DMA拷贝
Linux 2.4 内核对 sendfile 系统调用进行优化，但是需要硬件DMA控制器的配合。引入SG-DMA技术，其实就是对DMA拷贝加入了scatter/gather操作，它可以直接从内核空间缓冲区中将数据读取到网卡。
升级后的sendfile将内核空间缓冲区中对应的数据描述信息（文件描述符、地址偏移量等信息）记录到socket缓冲区中。
DMA控制器根据socket缓冲区中的地址和偏移量将数据从内核缓冲区拷贝到网卡中，从而省去了内核空间中仅剩1次CPU拷贝。
最后只剩下了两次上下文切换。