传统读写模式

第一次数据拷贝: 用户进程发起 read() 系统调用，当前上下文从用户态切换至内核态，DMA(Direct Memory Access) 引擎从文件中读取数据，并存储到内核态缓冲区 (DMA 拷贝)
第二次数据拷贝: 将数据从内核态缓冲区拷贝到用户态缓冲区 (CPU 拷贝)，然后返回给用户进程，拷贝数据时会发生一次上下文切换 (从内核态切换到用户态)
第三次数据拷贝: 用户进程发起 write() 系统调用，当前上下文从用户态切换至内核态，数据从用户态缓冲区被拷贝到 Socket 缓冲区 (CPU 拷贝)

第四次数据拷贝: write() 系统调用结束返回到用户进程，当前上下文从内核态切换至用户态，第四次数据拷贝为异步执行，从 Socket 缓冲区拷贝到网卡 (DMA 拷贝)

transferTo
transferTo() 和 send() 类似，也是一个系统调用，用于在文件之间高效地传输数据。
transferTo 在操作系统层面实现了零拷贝技术，允许将数据直接从一个文件传输到另一个文件，而无需通过用户空间进行中转。
第一次数据拷贝: 用户进程发起 transferTo() 调用，将文件数据拷贝到一个 Read buffer（内核态）中，当前上下文从用户态切换至内核态
第二次数据拷贝: 内核将 Read buffer 中的数据拷贝到 Socket 缓冲区

第三次数据拷贝: 数据从 Socket 缓冲区拷贝到网卡，当前上下文从内核态切换至用户态

相比较于传统的读写模式, transferTo 把上下文的切换次数从 4 次减少到 2 次，同时把数据拷贝的次数从 4 次降低到了 3 次， 虽然已经前进了一大步，但是作为过渡阶段，transferTo 距离零拷贝还有一些距离。

零拷贝
零拷贝是相对于用户态来讲的，数据在用户态不发生任何拷贝。

sendfile + DMA
sendfile() 是作用于两个文件描述符之间的数据拷贝的系统调用，这个拷贝操作是直接在内核中进行的，没有用户态到内核态的数据拷贝和上下文切换带来的开销，所以称为零拷贝技术。

Linux2.4 内核对 sendfile 系统调用做了改进:

1.用户进程发起 sendfile() 系统调用，当前上下文从用户态切换至内核态，DMA 将数据拷贝到内核缓冲区
2.向 Socket 缓冲区中发送当前数据在内核缓冲区的地址和偏移量两个值
3.根据 Socket 缓冲区的地址和偏移量，直接将内核缓冲区的数据拷贝到网卡，当前上下文从内核态切换至用户态

相比较于传统的读写模式, sendfile + DMA 把上下文的切换次数从 4 次减少到 2 次，同时把数据拷贝的次数从 4 次降低到了 2 次 (2 次均为 DMA 拷贝)，完全消除了数据从用户态和内核态之间拷贝数据带来的开销。

sendfile + DMA 虽然已经足够高效，但是依然存在两个不足之处:
1.方案本身需要引入新的硬件支持

2.输入文件描述符仅支持文件类型

splice
针对 sendfile + DMA 方案存在的不足，Linux 引入了 splice() 系统调用, splice() 不需要硬件支持，能够实现在任意的两个文件描述符时之间传输数据。

splice() 是基于管道缓冲区机制实现的，所以两个参数文件描述符必须有一个是管道设备。在实际开发中，splice() 作为实现零拷贝的首选，因此 sendfile() 的内部实现也替换为了 splice()。

Go 语言中的零拷贝
现在有了前文的理论基础后，我们来看下在 Go 语言中标准库的零拷贝方法原型和应用方法，笔者的 Go 版本为 go1.19 linux/amd64。

sendfile
sendfile 的方法原型为 syscall.Sendfile，文件路径为 syscall/syscall_unix.go。

func Sendfile(outfd int, infd int, offset *int64, count int) (written int, err error)

一个简单的使用示例:

package main

import (
 "fmt"
 "os"
 "syscall"
)

func main() {
 // 设置源文件
 src, err := os.Open("/tmp/source.txt")
 if err != nil {
  panic(err)
 }
 defer src.Close()

 // 设置目标文件
 target, err := os.Create("/tmp/target.txt")
 if err != nil {
  panic(err)
 }
 defer target.Close()

 // 获取源文件的文件描述符
 srcFd := int(src.Fd())

 // 获取目标文件的文件描述符
 targetFd := int(target.Fd())

 // 使用 Sendfile 实现零拷贝 (拷贝 10 个字节)
 // 如果因为字符编码导致的字符截断问题 (如中文乱码问题), 结果自动保留到截断前的最后完整字节
 // 例如文件内容为 “星期三四五六七”，count 参数为 4, 那么只会拷贝第一个字 (一个汉字 3 个字节)
 // 但是需要注意的是，方法的返回值 written 不受影响 (和 count 参数保持一致)
 // 所以实际开发中，第三个参数 offset 必须设置正确，否则就可能引起乱码或数据丢失问题
 n, err := syscall.Sendfile(targetFd, srcFd, nil, 4)
 if err != nil {
  fmt.Println(err)
  return
 }

 fmt.Printf("写入字节数: %d", n)
}

splice
sendfile 的方法原型为 syscall.Splice，文件路径为 syscall/zsyscall_linux_amd64.go。

func Splice(rfd int, roff *int64, wfd int, woff *int64, len int, flags int) (n int64, err error)

一个简单的使用示例:

package main
import (
	"fmt"
	"os"
	"syscall"
)

func main() {
        // 堆代码 duidaima.com
	// 设置源文件
	src,
	err: = os.Open("/tmp/source.txt")
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	defer src.Close()

	// 设置目标文件
	target,
	err: = os.Create("/tmp/target.txt")
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	defer target.Close()

	// 创建管道文件
	// 作为两个文件传输数据的中介
	pipeReader,
	pipeWriter,
	err: = os.Pipe()
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	defer pipeReader.Close()
	defer pipeWriter.Close()

	// 设置文件读写模式
	// 笔者在标准库中没有找到对应的常量说明
	// 读者可以参考这个文档:
	//   https://pkg.go.dev/golang.org/x/sys/unix#pkg-constants
	//   SPLICE_F_NONBLOCK = 0x2
	spliceNonBlock: = 0x02

	// 使用 Splice 将数据从源文件描述符移动到管道 writer
	_,
	err = syscall.Splice(int(src.Fd()), nil, int(pipeWriter.Fd()), nil, 1024, spliceNonBlock)

	if err != nil {
		panic(err)
	}

	// 使用 Splice 将数据从管道 reader 移动到目标文件描述符
	n,
	err: = syscall.Splice(int(pipeReader.Fd()), nil, int(target.Fd()), nil, 1024, spliceNonBlock)
	if err != nil {
		panic(err)
	}

	fmt.Printf("写入字节数: %d", n)
}