傳統IO

1. 應用呼叫read方法向作業系統發起讀資料的請求，此時由使用者態切換為核心態
2. 當系統收到讀資料請求時，利用DMA控制器把資料從磁碟讀取到系統快取區中(圖中2.1)
3. 再然後CPU會把系統快取區的資料寫應用快取區(圖2.2)，此時由核心態切換為使用者態
4. 應用再呼叫write方法通知系統進行資料的寫操作，此時由使用者態切換為核心態。
5. CPU把應用快取中的資料寫到系統快取區(圖2.3)
6. 再然後就是DMA控制器再把資料從系統快取區寫到網路卡快取區上(圖2.4)，write方法返回，此時由核心態切換為使用者態。

在普通的IO拷貝時要有4次的上下文切換過程和4次的拷貝過程，在高並行的場景下對效能會產生比較大的影響。

DMA

資料在讀寫的過程中都需要CPU發出對應的命令來完成，因為CPU的速度比IO操作要快的多，在資料拷貝的過程中CPU不可能一直處於等待的過程，但是如果不等，CPU又不知道IO什麼時候處理完，為了協調高速的CPU與低速的IO的矛盾，因此引入了DMA，DMA（Direct Memory Access）直接記憶體存取技術，通過它來進行記憶體和IO裝置的資料傳輸。大至就是CPU給DMA發一個指令，然後DMA開始幹活，然後CPU幹別的活，DMA幹完後告訴CPU，從而減少了CPU的等待時間。

零值拷貝

觀察圖可以2.1 和2.2 感覺資料在此過程做了個無用功，從核心態搬到使用者態，再由使用者態搬到核心態，因此提出了零值拷貝，零值拷貝不是沒有拷貝，而是不再有使用者態和核心態間資料拷貝過程，他的實現有mmap和sendfile兩種方式。

mmap

mmap (member map)記憶體對映，資料讀取到系統快取區後，使用者態資料在系統快取區的對映就可以完成資料的傳輸過程。

1. 首先向作業系統傳送一個mmap命令(上圖1.1)，此時由使用者態切換為核心態。
2. 系統收到mmap命令後，會用DMA把資料從磁碟讀到到記憶體的快取區中(上圖1.2)。
3. 返回資料快取區的一個對映mmap（上圖1.3），由核心態切換到使用者態。
4. 使用者在發起一個write的操作（上圖1.4），由使用者態切換到核心態。
5. cpu再把記憶體快取區中的資料拷貝到另一個快取區上(上圖1.5)
6. DMA把資料拷貝到網路卡上後返回(上圖1.6)，並由核心態切換到使用者態

mmap的操作共有4個上下文的切換和3次的資料拷貝過程，比普通的拷貝少了一次cpu的拷貝。

sendfile

mmap的拷貝方法要先獲取資料區的對映，然後有使用者發起寫資料的命令後，在往網路卡上寫，如果不需要對資料做任何處理，只是原封不動的把資料傳送出去，mmap命令和write命令可以合併為一個命令，直接告訴作業系統往外傳送哪個資料即可，合併後的命令就sendfile。

1. 使用者往作業系統發直sendfile的命令，此時有使用者態切換到核心態
2. 系統收到命令後，由DMA把資料從磁碟上讀取到系統快取區上
3. 然後由cpu把讀到的到資料拷貝到另一個快取區上
4. 再由DMA把資料寫到網上上
5. 然後返回，由核心態切換到使用者態

sendfile的過程由2次上下文的切換和3次的資料拷貝過程，整個過程讀到的資料對使用者空間不可見，適應用靜態檔案伺服器。

sendfile升級

在sendfile的cpu把資料從快取區從一個地方拷貝到另一個地方，也會浪費額外的空間，能不能在往網路卡上寫資料時只用第一次DMA拷貝出來的資料，直接拷貝到網路卡上呢？因此對sendfile再次升級，引入了DMA Scatter/Gather 分散/收集功能。

1. 使用者發起sendfile命令(上圖1.1)，系統收到後，由使用者態 切換到核心態
2. 呼叫DMA利用scatter從磁碟讀取資料到快取區離散儲存（上圖1.2）
3. cpu把快取區資料的檔案描述符和資料長度傳送給另一個快取區（上圖1.3）
4. DMA在從另一個快取區讀取資料時根據檔案描述符和資料長度，使用scatter/gather從快取區中讀取到網路卡上（上圖1.4）
5. 返回，並有核心態切換到使用者態。

此過程對使用者空間仍然是不可見的，而且需要硬體的支援。有2次上下文切換和2次的拷貝過程，效能在大幅的提高。

場景

kafka和rocketmq都用到了mmap技術，兩個中介軟體都有訊息的持久化過程，和訊息的讀取過程。

mq對訊息持久化和讀取的過程都用到了mmap+write，而kafka則是持久化的過程用到了mmap+write，讀取訊息用的sendfile。

總結

為什麼需要DMA？

DMA是為了解決高速CPU和低速IO操作的矛盾，cpu發起一個讀取指令後，由dma接管資料的讀取複製工作，cpu處理別的事件。

傳統IO與零值拷貝有比較