【面试普通人VS高手】Kafka的零拷贝原理?

最近一个学员去滴滴面试，在第二面的时候遇到了这个问题：
"请你简单说一下Kafka的零拷贝原理"
然后那个学员努力在大脑里检索了很久，没有回答上来。
那么今天，我们基于这个问题来看看，普通人和高手是如何回答的！

普通人的回答：

零拷贝是一种减少数据拷贝的机制，能够有效提升数据的效率

高手的回答：

在实际应用中，如果我们需要把磁盘中的某个文件内容发送到远程服务器上，如图

那么它必须要经过几个拷贝的过程:

1. 从磁盘中读取目标文件内容拷贝到内核缓冲区
2. CPU控制器再把内核缓冲区的数据赋值到用户空间的缓冲区中
3. 接着在应用程序中，调用write()方法，把用户空间缓冲区中的数据拷贝到内核下的Socket Buffer中。
4. 最后，把在内核模式下的SocketBuffer中的数据赋值到网卡缓冲区（NIC Buffer)
5. 网卡缓冲区再把数据传输到目标服务器上。

在这个过程中我们可以发现，数据从磁盘到最终发送出去，要经历4次拷贝，而在这四次拷贝过程中，有两次拷贝是浪费的，分别是：

1. 从内核空间赋值到用户空间
2. 从用户空间再次复制到内核空间

除此之外，由于用户空间和内核空间的切换会带来CPU的上线文切换，对于CPU性能也会造成性能影响。

而零拷贝，就是把这两次多于的拷贝省略掉，应用程序可以直接把磁盘中的数据从内核中直接传输给Socket，而不需要再经过应用程序所在的用户空间，如下图所示。

零拷贝通过DMA（Direct Memory Access）技术把文件内容复制到内核空间中的Read Buffer。

接着把包含数据位置和长度信息的文件描述符加载到Socket Buffer中，DMA引擎直接可以把数据从内核空间中传递给网卡设备。

在这个流程中，数据只经历了两次拷贝就发送到了网卡中，并且减少了2次cpu的上下文切换，对于效率有非常大的提高。

所以，所谓零拷贝，并不是完全没有数据赋值，只是相对于用户空间来说，不再需要进行数据拷贝。对于前面说的整个流程来说，零拷贝只是减少了不必要的拷贝次数而已。

在程序中如何实现零拷贝呢？

• 在Linux中，零拷贝技术依赖于底层的sendfile()方法实现
• 在Java中，FileChannal.transferTo() 方法的底层实现就是 sendfile() 方法。

除此之外，还有一个 mmap 的文件映射机制

它的原理是：将磁盘文件映射到内存, 用户通过修改内存就能修改磁盘文件。使用这种方式可以获取很大的I/O提升，省去了用户空间到内核空间复制的开销。

以上就是我对于Kafka中零拷贝原理的理解

总结

本期的普通人VS高手面试系列就到这里结束了。

本次的面试题涉及到一些计算机底层的原理，基本上也是业务程序员的知识盲区。

但我想提醒大家，做开发其实和建房子一样，要想楼层更高更稳，首先地基要打牢固。

另外，如果你有任何面试相关的疑问，欢迎评论区给我留言。

我是Mic，一个工作了14年的Java程序员，咱们下篇文章再见。