零拷贝机制

通常程序执行 IO 操作时，需要涉及用户空间和内核空间的两个缓冲区。

只有内核才能跟磁盘等硬件进行操作，因此数据在流向程序时，必定会先存在于内核缓冲区，内核缓冲区又称为 PageCache，不同操作系统的 PageCache 机制不一样。

内核缓冲区：系统内核在内核空间中定义的内核缓冲区，即 PageCache。
用户缓冲区：通过 C 语言或其它语言提供的标准 IO 读写函数在用户空间定义的缓冲区。

从上图中可以看到，IO 操作有两种方式：

• 缓冲IO：同时使用用户缓冲区和内核缓冲区。需要 3 次数据复制以及 1 次上下文切换（用户态、内核态切换）。
• 直接IO：只使用内核缓冲区。需要 2 次数据复制和 1 次上下文切换。

明显，直接 IO 比缓冲 IO 少了一个缓冲区，也就是少了一个数据复制操作。

为了提高 IO 读写效率，操作系统提供了 mmap 和 sendfile 两个机制，帮助我们实现内存 ”零拷贝“，以及减少用户态和内核态上下文切换次数，不过要注意，它们的特点都是针对文件而言的。

mmap 是内存映射机制，直接将文件从内核缓冲区映射到应用程序内存地址空间。

文件从内核缓冲区中映射到应用程序内存中时，是逻辑地址。当程序操作这个逻辑地址，进行读写时，实际上是在内核缓冲区中操作，数据并不需要复制到应用程序的内存中或经过用户空间。

使用 mmap 后，仅内核缓冲区跟磁盘之间出现数据复制。但因为内核空间跟应用程序之间需要经过用户态和内核态的转换，一次还需要一次上下文切换。

sendfile 则是为 Socket 编程服务的。在网络通讯中，操作系统内核会为 Socket 提供一个缓冲区，要传输的网络数据要经过缓冲区。

使用 sendfile 处理文件，数据可以不经过用户空间，只需要通过内核空间完成操作，没有上下文切换。

在一些新版本的系统中，数据发送时可以不经过 Socket 缓冲区，减少一次数据复制。

使用 sendfile 有个缺点是，因为数据没有经过用户空间，因此应用程序不能读取或修改这些数据。