• 缓存I/O
• 直接I/O
• 内存映射文件
• 零拷贝

kafka通常用来做消息队列中间件，它的高吞吐量其中一个重要功臣就是“零拷贝”。从字面上理解就是数据不需要多次拷贝，系统性能大幅度提升。其实，不仅在kafka中，Java NIO，netty，rocketMQ等框架中也都用到了零拷贝。要了解什么是零拷贝，需要从I/O的几个概念了解起。

缓存I/O

缓存I/O又被称作标准I/O，是大多少文件系统默认I/O。为了减少读盘的次数，同时也为了保护系统本身的安全，缓存I/O在一定程度上分离了内核空间和用户空间。但也因此，数据在传输过程中需要在用户空间和内核空间之间进行多次的拷贝，这些数据拷贝操作所带来的CPU以及内存开销是非常大的。

下图示例列出了一次缓存IO读和写需要经过的步骤：

对于缓存I/O，一个读操作有3次数据拷贝，一次写操作又会有3次的数据拷贝。

读操作：磁盘->内核缓存区->用户空间缓存区->应用程序内存。

写操作：应用程序内存->用户空间缓存区->Socket缓存区->网络。

直接I/O

直接IO就是指没有用户级的缓存区，但是内核缓存区还是有的。这样就减少一次从内核缓冲区到用户程序缓存的数据拷贝。如下图所示：

内存映射文件

首先，映射的意思就是建立一种一一对应关系，是指硬盘上文件的位置与进程逻辑地址的对应关系。这种对应关系纯属是逻辑上的概念，物理上是不存在的。在内存映射的过程中，并没有实际的数据拷贝，文件没有被载入内存，只是逻辑上被放入了内存，内存中实际只是一个逻辑地址。

如上图所示，数据不再经过应用程序内存，直接从内核缓存区到socket缓冲区。

零拷贝

零拷贝连内核缓存区到socket缓存区也省了，底层的网卡驱动程序直接读取内核缓存区的数据并发送到网络。在整个过程中，只发生了2次数据拷贝。一次是从磁盘到内核缓存区，另一次是从内核缓存区到网络。既然有发生数据拷贝，为什么还叫“零拷贝”，那是因为所说的零拷贝是指数据在内存中没有发生数据拷贝。