C++ 中的零拷贝是一系列旨在消除不必要内存拷贝的技术，核心思想是让不同实体共享数据而非复制数据，以此大幅提升 I/O 密集型应用的性能。

传统的数据操作：涉及 4 次上下文切换（用户态/内核态切换）和 至少 2 次数据拷贝（内核态->用户态，用户态->内核态）

主要实现手段包括：

1. 使用 sendfile 等系统调用在内核中直接传输数据， 绕过 用户空间，实现了 2 次 DMA 拷贝 + 0 次 CPU 拷贝，是真正的零拷贝。

2. 使用 mmap 将文件映射到内存，避免了用户空间和内核空间之间的数据拷贝，但仍然需要 CPU 来管理内存映射和处理缺页中断。因此，它通常被称为“一种减少拷贝的优化”，而非像 sendfile 那样的“真正零拷贝”。

传统的数据操作

在传统的数据操作中（例如，从磁盘读取文件并通过网络发送），数据流经的路径会涉及多次冗余拷贝和上下文切换，如下图所示：

1. 磁盘驱动程序将文件数据拷贝到内核空间的缓冲区（Page Cache）。

2. 应用程序发起读操作，内核将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间的应用程序缓冲区。

3. 应用程序发起写操作（如发送网络数据），系统再将数据从用户缓冲区拷贝到内核空间的网络协议栈缓冲区（Socket Buffer）。

4. 最后，网卡驱动程序从 Socket Buffer 中读取数据并发送出去。

这个过程涉及 4 次上下文切换（用户态/内核态切换）和 至少 2 次数据拷贝（内核态->用户态，用户态->内核态）。拷贝操作需要 CPU 参与，大量占用宝贵的 CPU 周期。

sendfile()

• 功能：直接在两个文件描述符（in_fd 和 out_fd）之间传输数据，数据完全在内核空间中进行操作，绕过了用户空间。

• 经典用例：一个静态文件服务器（如 Nginx, Apache）使用 sendfile 将磁盘上的文件直接发送到网络套接字，无需将文件数据读入用户空间进程。

1. DMA 将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区（Page Cache）：这一步由 DMA（Direct Memory Access）完成，无需 CPU 参与。

2. sendfile() 系统调用被执行：数据不会被拷贝到用户空间。取而代之的是，内核直接将文件数据（来自 in_fd 对应的 Page Cache）的相关信息和目标（out_fd）一起打包。

3. DMA 将数据从内核缓冲区直接拷贝到网卡：内核将准备好的文件数据（仍然在内核缓冲区中）的地址和长度信息交给网卡驱动的 Socket Buffer。网卡驱动程序利用 DMA，直接将数据从内核的 Page Cache 传输到网络协议栈中，最终发送出去。

在整个过程中，数据始终待在内核地址空间，没有在用户空间和内核空间之间来回拷贝，也最大限度地减少了 CPU 的参与。现代的网卡甚至支持 Gather Operation，使得内核只需要传递一个描述内存地址和长度的数组给网卡，网卡就能直接从多个不连续的内存位置（如多个 Page Cache 页）收集数据并发送，进一步避免了最后一次 CPU 拷贝。

内存映射文件 (mmap)

• 原理：它将一个文件（或设备）的一部分直接映射到进程的虚拟地址空间。应用程序可以像访问普通内存一样（通过指针）直接读写这块内存区域，操作系统负责在后台将修改写回磁盘文件。

• 优势：避免了使用 read() 或 write() 系统调用所带来的数据拷贝（从内核 Page Cache 到用户缓冲区的拷贝）。它并非完全“零拷贝”，但省去了一次拷贝操作。

1. DMA 将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区（Page Cache）：这一步由 DMA（Direct Memory Access）完成，无需 CPU 参与。

2. 建立内存映射：操作系统在用户的虚拟地址空间中分配一段空间，并将其映射到上一步的内核缓冲区（Page Cache）上。注意：这里并没有发生数据拷贝。没有数据被复制到用户空间的缓冲区。

3. 应用程序直接访问内存：应用程序现在可以通过指针（mmap 返回的地址）直接读写那块映射的内存区域。实际上，这些读写操作直接作用于内核的 Page Cache。

   • 读操作：如果数据已在 Page Cache 中，则完全无需系统调用和拷贝。

   • 写操作：会直接修改 Page Cache，由操作系统在后台定期将脏页写回磁盘。