在nginx、kafka等開源元件的原理和效能調優中，經常會提到零拷貝技術，為了能從原理層面掌握這些常用元件，下面我詳細介紹零拷貝的原理。
在介紹零拷貝之前，還有幾個概念需要介紹，那就是：使用者空間（user space）、核心空間（kernel space）。
使用者空間是指：使用者程式**執行的地方； 核心空間是指：核心**執行的地方，為了安全，它們是隔離的，即使使用者的程式崩潰了，核心也不受影響。當程序執行在核心空間時就處於核心態，當程序執行在使用者空間時就處於使用者態。
核心空間 可以執行任意命令，呼叫系統的一切資源；使用者 只能執行簡單的運算，不能直接呼叫系統資源，必須通過系統介面（又稱 system call），才能向核心發出指令。
通過系統介面，程序可以從使用者空間切換到核心空間，如下圖所示，使用者**呼叫 cat /etc/hosts，從使用者空間切換到核心空間：
操心系統將虛擬空間劃分為兩部分，一部分為核心空間，一部分為使用者空間。針對linux作業系統而言，將最高的1g位元組（從虛擬位址0xc0000000到0xffffffff），供核心使用，稱為核心空間，而將較低的3g位元組（從虛擬位址0x00000000到0xbfffffff），供各個程序使用，稱為使用者空間。每個程序可以通過系統呼叫進入核心，因此，linux核心由系統內的所有程序共享。於是，從具體程序的角度來看，每個程序可以擁有4g位元組的虛擬空間。空間分配如下圖所示：
有了使用者空間和核心空間，整個linux內部結構可以分為三部分，從最底層到最上層依次是：硬體-->核心空間-->使用者空間。如下圖所示：
需要注意的細節問題：
（1） 核心空間中存放的是核心**和資料，而程序的使用者空間中存放的是使用者程式的**和資料。不管是核心空間還是使用者空間，它們都處於虛擬空間中。
（2） linux使用兩級保護機制：0級供核心使用，3級供使用者程式使用。
核心態與使用者態：
（1）當乙個任務（程序）執行系統呼叫而陷入核心**中執行時，稱程序處於核心執行態（核心態）。此時處理器處於特權級最高的（0級）核心**中執行。當程序處於核心態時，執行的核心**會使用當前程序的核心棧。每個程序都有自己的核心棧。
（2）當程序在執行使用者自己的**時，則稱其處於使用者執行態（使用者態）。此時處理器在特權級最低的（3級）使用者**中執行。當正在執行使用者程式而突然被中斷程式中斷時，此時使用者程式也可以象徵性地稱為處於程序的核心態。因為中斷處理程式將使用當前程序的核心棧。
零拷貝指的是，從乙個儲存區域到另乙個儲存區域的 copy 任務沒有cpu 參與。零拷貝通常用於網路檔案傳輸，以減少 cpu 消耗和記憶體頻寬占用，減少使用者空間與 cpu 核心空間的拷貝過程，減少使用者上下文與 cpu 核心上下文間的切換，提高系統效率。
使用者上下文指的是使用者狀態環境，cpu 核心上下文指的是 cpu 核心狀態環境。
零拷貝需要 dma 控制器的協助。dma，direct memory access，直接記憶體訪問，是 cpu的組成部分，其可以在 cpu 核心（算術邏輯運算器alu 等）不參與運算的情況下將資料從乙個位址空間拷貝到另乙個位址空間。
下面均以「將乙個硬碟中的檔案通過網路傳送出去」的過程為例，來詳細詳細分析不同拷貝方式的實現細節。
首先通過應用程式的 read()方法將檔案從硬碟讀取出來，然後再呼叫 send()方法將檔案傳送出去。
該拷貝方式共進行了 4 次使用者空間與核心空間的上下文切換，以及 4 次資料拷貝，其中兩次拷貝存在 cpu 參與。
我們發現乙個很明顯的問題：應用程式的作用僅僅就是乙個資料傳輸的中介，最後將kernel buffer 中的資料傳遞到了 socket buffer。顯然這是沒有必要的。所以就引入了零拷貝。
linux 系統（centos6 及其以上版本）對於零拷貝是通過 sendfile 系統呼叫實現的。
該拷貝方式共進行了 2 次使用者空間與核心空間的上下文切換，以及 3 次資料拷貝，但整個拷貝過程均沒有 cpu 的參與，這就是零拷貝。
我們發現這裡還存在乙個問題：kernel buffer 到 socket buffer 的拷貝需要嗎？kernel buffer 與 socket buffer 有什麼區別呢？dma 控制器所控制的拷貝過程有乙個要求，資料在源頭的存放位址空間必須是連續的。kernel buffer 中的資料無法保證其連續性，所以需要將資料再拷貝到 socket buffer，socket buffer 可以保證了資料的連續性。
這個拷貝過程能否避免呢？可以，只要主機的 dma 支援gather copy 功能，就可以避免由 kernel buffer 到 socket buffer 的拷貝。
由於該拷貝方式是由 dma 完成，與系統無關，所以只要保證系統支援 sendfile 系統呼叫功能即可。
該拷貝方式共進行了 2 次使用者空間與核心空間的上下文切換，以及 2 次資料拷貝，並且整個拷貝過程均沒有 cpu 的參與。
該拷貝方式的系統效率是高了，但與傳統相比，也存在有不足。傳統拷貝中user buffer 中存有資料，因此應用程式能夠對資料進行修改等操作；零拷貝中的 user buffer 中沒有了資料，所以應用程式無法對資料進行操作了。linux 的mmap 零拷貝解決了這個問題。
mmap 零拷貝是對零拷貝的改進。當然，若當前主機的 dma 支援 gather copy，mmap同樣可以實現gather copy dma 的零拷貝。
該方式與零拷貝的唯一區別是，應用程式與核心共享了 kernel buffer。由於是共享，所以應用程式也就可以操作該 buffer 了。當然，應用程式對於 kernel buffer 的操作，就會引發使用者空間與核心空間的相互切換。
該拷貝方式共進行了 4 次使用者空間與核心空間的上下文切換，以及 2 次資料拷貝，並且整個拷貝過程均沒有 cpu 的參與。雖然較之前面的零拷貝增加了兩次上下文切換，但應用程式可以對資料進行修改了。
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