本系列由两篇文章组成，介绍了当前用于 Linux 操作系统上的几种零拷贝技术，简单描述了各种零拷贝技术的实现，以及它们的特点和适用场景。本文是本系列文章的第一部分，主要是介绍一些零拷贝技术的相关背景知识，简要概述了 Linux 为什么需要零拷贝技术以及 Linux 中都有哪几种零拷贝技术。
引言传统的 Linux 操作系统的标准 I/O 接口是基于数据拷贝操作的，即 I/O 操作会导致数据在操作系统内核地址空间的缓冲区和应用程序地址空间定义的缓冲区之间进行传输。这样做最大的好处是可以减少磁盘 I/O 的操作，因为如果所请求的数据已经存放在操作系统的高速缓冲存储器中，那么就不需要再进行实际的物理磁盘 I/O 操作。但是数据传输过程中的数据拷贝操作却导致了极大的 CPU 开销，限制了操作系统有效进行数据传输操作的能力。
零拷贝（ zero-copy ）这种技术可以有效地改善数据传输的性能，在内核驱动程序（比如网络堆栈或者磁盘存储驱动程序）处理 I/O 数据的时候，零拷贝技术可以在某种程度上减少甚至完全避免不必要 CPU 数据拷贝操作。现代的 CPU 和存储体系结构提供了很多特征可以有效地实现零拷贝技术，但是因为存储体系结构非常复杂，而且网络协议栈有时需要对数据进行必要的处理，所以零拷贝技术有可能会产生很多负面的影响，甚至会导致零拷贝技术自身的优点完全丧失。
为什么需要零拷贝技术如今，很多网络服务器都是基于客户端 - 服务器这一模型的。在这种模型中，客户端向服务器端请求数据或者服务；服务器端则需要响应客户端发出的请求，并为客户端提供它所需要的数据。随着网络服务的逐渐普及，video 这类应用程序发展迅速。当今的计算机系统已经具备足够的能力去处理 video 这类应用程序对客户端所造成的重负荷，但是对于服务器端来说，它应付由 video 这类应用程序引起的网络通信量就显得捉襟见肘了。而且，客户端的数量增长迅速，那么服务器端就更容易成为性能瓶颈。而对于负荷很重的服务器来说，操作系统通常都是引起性能瓶颈的罪魁祸首。举个例子来说，当数据“写”操作或者数据“发送”操作的系统调用发出时，操作系统通常都会将数据从应用程序地址空间的缓冲区拷贝到操作系统内核的缓冲区中去。操作系统这样做的好处是接口简单，但是却在很大程度上损失了系统性能，因为这种数据拷贝操作不单需要占用 CPU 时间片，同时也需要占用额外的内存带宽。
一般来说，客户端通过网络接口卡向服务器端发送请求，操作系统将这些客户端的请求传递给服务器端应用程序，服务器端应用程序会处理这些请求，请求处理完成以后，操作系统还需要将处理得到的结果通过网络适配器传递回去。
下边这一小节会跟读者简单介绍一下传统的服务器是如何进行数据传输的，以及这种数据传输的处理过程存在哪些问题有可能会造成服务器的性能损失。
Linux 中传统服务器进行数据传输的流程Linux 中传统的 I/O 操作是一种缓冲 I/O，I/O 过程中产生的数据传输通常需要在缓冲区中进行多次的拷贝操作。一般来说，在传输数据的时候，用户应用程序需要分配一块大小合适的缓冲区用来存放需要传输的数据。应用程序从文件中读取一块数据，然后把这块数据通过网络发送到接收端去。用户应用程序只是需要调用两个系统调用 read() 和 write() 就可以完成这个数据传输操作，应用程序并不知晓在这个数据传输的过程中操作系统所做的数据拷贝操作。对于 Linux 操作系统来说，基于数据排序或者校验等各方面因素的考虑，操作系统内核会在处理数据传输的过程中进行多次拷贝操作。在某些情况下，这些数据拷贝操作会极大地降低数据传输的性能。
当应用程序需要访问某块数据的时候，操作系统内核会先检查这块数据是不是因为前一次对相同文件的访问而已经被存放在操作系统内核地址空间的缓冲区内，如果在内核缓冲区中找不到这块数据，Linux 操作系统内核会先将这块数据从磁盘读出来放到操作系统内核的缓冲区里去。如果这个数据读取操作是由 DMA 完成的，那么在 DMA 进行数据读取的这一过程中，CPU 只是需要进行缓冲区管理，以及创建和处理 DMA ，除此之外，CPU 不需要再做更多的事情，DMA 执行完数据读取操作之后，会通知操作系统做进一步的处理。Linux 操作系统会根据 read() 系统调用指定的应用程序地址空间的地址，把这块数据存放到请求这块数据的应用程序的地址空间中去，在接下来的处理过程中，操作系统需要将数据再一次从用户应用程序地址空间的缓冲区拷贝到与网络堆栈相关的内核缓冲区中去，这个过程也是需要占用 CPU 的。数据拷贝操作结束以后，数据会被打包，然后发送到网络接口卡上去。在数据传输的过程中，应用程序可以先返回进而执行其他的操作。之后，在调用 write() 系统调用的时候，用户应用程序缓冲区中的数据内容可以被安全的丢弃或者更改，因为操作系统已经在内核缓冲区中保留了一份数据拷贝，当数据被成功传送到硬件上之后，这份数据拷贝就可以被丢弃。