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总结
对于Web服务器来说，经常需要从磁盘中读取数据到内存，然后再通过网卡传输给用户：
对于引入DMA的系统，流程如下
直接内存访问（Direct Memory Access），是一种硬件设备绕开CPU独立直接访问内存的机制。所以DMA在一定程度上解放了CPU，把之前CPU的杂活让硬件直接自己做了，提高了CPU效率。
目前支持DMA的硬件包括：网卡、声卡、显卡、磁盘控制器等。
- 当应用程序需要读取磁盘数据时，调用read()从用户态陷入内核态，read()这个系统调用最终由CPU来完成；
- CPU向DMA发起I/O请求，由DMA向磁盘发送IO请求，磁盘收到之后开始准备数据；
- 磁盘准备好之后发送完成信号，DMA会拷贝数据，吧数据从磁盘缓冲区拷贝到内核缓冲区
- CPU收到DMA的信号之后，开始拷贝数据，完成之后read()返回，再从内核态切换到用户态
来看下完整的数据拷贝过程简图：
读数据过程：
- 应用程序要读取磁盘数据，调用read()函数从而实现用户态切换内核态，这是第1次状态切换；
- DMA控制器将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区，这是第1次DMA拷贝；
- CPU将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区，这是第1次CPU拷贝；
- CPU完成拷贝之后，read()函数返回实现用户态切换用户态，这是第2次状态切换；
写数据过程：
- 应用程序要向网卡写数据，调用write()函数实现用户态切换内核态，这是第1次切换；
- CPU将用户缓冲区数据拷贝到套接字缓冲区，这是第1次CPU拷贝；
- DMA控制器将数据从套接字缓冲区复制到网卡，这是第1次DMA拷贝；
- 完成拷贝之后，write()函数返回实现内核态切换用户态，这是第2次切换；
综上所述：
- 读过程涉及2次空间切换、1次DMA拷贝、1次CPU拷贝；
- 写过程涉及2次空间切换、1次DMA拷贝、1次CPU拷贝；
可见传统模式下，涉及多次空间切换和数据冗余拷贝，效率并不高，接下来就该零拷贝技术出场了。
零拷贝技术
出现原因
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。
我们需要降低冗余数据拷贝、解放CPU，这也就是零拷贝Zero-Copy技术。
解决思路
目前来看，零拷贝技术的几个实现手段包括：mmap+write、sendfile、sendfile+DMA收集、splice等。
4.2.1 mmap方式
mmap是Linux提供的一种内存映射文件的机制，它实现了将内核中读缓冲区地址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。
这样就减少了一次用户态和内核态的CPU拷贝，但是在内核空间内仍然有一次CPU拷贝。
mmap对大文件传输有一定优势，但是小文件可能出现碎片，并且在多个进程同时操作文件时可能产生引发coredump的signal。
1 | 你的程序map了一个文件，但是当这个文件被另一个进程截断(truncate)时, write系统调用会因为访问非法地址而被SIGBUS信号终止 |
4.2.2 sendfile方式
mmap+write方式有一定改进，但是由系统调用引起的状态切换并没有减少。
sendfile系统调用是在 Linux 内核2.1版本中被引入，它建立了两个文件之间的传输通道。
sendfile方式只使用一个函数就可以完成之前的read+write 和 mmap+write的功能，这样就少了2次状态切换，由于数据不经过用户缓冲区，因此该数据无法被修改。
从图中可以看到，应用程序只需要调用sendfile函数即可完成，只有2次状态切换、1次CPU拷贝、2次DMA拷贝。
但是sendfile在内核缓冲区和socket缓冲区仍然存在一次CPU拷贝，或许这个还可以优化。
4.2.3 sendfile+DMA收集
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。
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。
这种方式有2次状态切换、0次CPU拷贝、2次DMA拷贝，但是仍然无法对数据进行修改，并且需要硬件层面DMA的支持，并且sendfile只能将文件数据拷贝到socket描述符上，有一定的局限性。
4.2.4 splice方式
splice系统调用是Linux 在 2.6 版本引入的，其不需要硬件支持，并且不再限定于socket上，实现两个普通文件之间的数据零拷贝。
splice 系统调用可以在内核缓冲区和socket缓冲区之间建立管道来传输数据，避免了两者之间的 CPU 拷贝操作。
splice也有一些局限，它的两个文件描述符参数中有一个必须是管道设备。