Java随笔记 - 内核缓冲区与进程缓冲区

港控/mmm° 2022-12-26 08:26 215阅读 0赞

###  Java随笔记 - 内核缓冲区与进程缓冲区 ###

#### Review ####

*  在上一篇博客[Java随笔记 - 内核态和用户态][Java_ -]，提到了一个常见的误区，放在这里进行一下个人角度的详解。简单来说，我们所理解的read & write系统调用并不会直接对物理设备进行读写操作，系统底层也是有自己的缓冲区的。从抽象的角度看，也就是说，一个用户进程在内存中有自己的一个进程缓冲区，系统底层也有自己的一个内核缓冲区，read系统调用，就是将进程缓冲区中的数据复制到内核缓冲区中，而write系统调用则是将内核缓冲区中的数据复制到进程缓冲区中。大概画了个抽象图，如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0pfX01heA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

#### 内核缓冲区与进程缓冲区 ####

*  所以为什么要设置这么多的缓冲区？缓冲区的目的，主要就是为了减少频繁的与物理设备之间进行数据交换。外部设备的读写，涉及到操作系统的中段，发生中断的话就会涉及进程数据以及信息的保存，还包括中断结束后的进程恢复等，造成的时间损耗可想而知。所以为了减少这种系统底层的时间损耗、性能损耗，也就有了内存缓冲区。
 *  有了内存缓冲区，用户进程使用read系统调用时，仅仅将数据从内核缓冲区复制到应用的缓冲区（进程缓冲区）；相应的，write系统调用也仅仅是将数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区。系统底层会对内核缓冲区进行监控，等待缓冲区中的数据达到一定数量后再进行IO设备的中断处理，其实就是将物理设备的IO操作进行了集中化，减少了对物理设备的直接读写操作，从而提升了系统的整体性能。
 *  从数量的角度来看，操作系统内核中只有一个内核缓冲区，而每个用户进程都会有自己独立的缓冲区（其实就是内存的一个子集），即进程缓冲区。所以，用户在程序中实现的IO读写逻辑，并没有进行实际的IO操作，而是在进程缓冲区和内核缓冲区之间进行数据的交换。

#### 场景详解典型的系统调用过程 ####

*  这里结合之前的几个编程实例：[Java随笔记 - BIO Socket 编程实例][Java_ - BIO Socket]、[Java随笔记 - BIO，Socket实例，实现多笔数据的传输][Java_ - BIO_Socket]，其实这几个编程实例所实现的功能逻辑，都可以用以下的抽象流程图进行概括：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0pfX01heA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

*  上图简要的描述了经典的服务端-客户端数据传输流程，假设我们使用Java实现了一个服务端程序，运行在Server上，监听一个Socket；然后第三方Client通过给Socket与服务端进行通信。再具体一点，完成一次Socket的请求和相应，其完整的流程如下：
    
     *  客户端请求：客户端通过Socket向服务端发起请求，服务端进程所在的系统通过网卡读取到客户端发来的请求数据，将数据读取到内核缓冲区中；
     *  获取请求数据：Java服务端进程通过read系统调用，从内核缓冲区中复制相应的数据到其进程缓冲区中；
     *  服务端进程业务处理：服务端进程根据其业务逻辑在其进程空间中进行相应的数据逻辑处理；
     *  返回响应数据：服务端进程处理完数据后，生成相应的响应数据，通过write系统调用，将响应数据从其进程缓冲区中复制到内核缓冲区中；
     *  发给给客户端：服务端进程所在的系统通过网卡，后续通过底层的通信协议，将响应数据发送给客户端。

[Java_ -]: https://jiangnanmax.blog.csdn.net/article/details/110352275
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[Java_ - BIO Socket]: https://jiangnanmax.blog.csdn.net/article/details/109690397
[Java_ - BIO_Socket]: https://jiangnanmax.blog.csdn.net/article/details/109781242
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