IO读写的基础原理

左手的ㄟ右手 2024-03-16 12:31 35阅读 0赞

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">read系统调用</th> 
   <th align="left">write系统调用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">read系统调用，并不是直接从物理设备把数据读取到内存中，</td> 
   <td align="left">write系统调用，也不是直接把数据写入到物理设备。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">调用操作系统的read，是把数据从<code>内核缓冲区</code>复制到<code>进程缓冲区</code>；</td> 
   <td align="left">而write系统调用，是把数据从<code>进程缓冲区</code>复制到<code>内核缓冲区</code>。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">上层程序的IO操作，实际上不是物理设备级别的读写，而是<code>缓存的复制</code>。</td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">read&amp;write两大系统调用，都不负责数据在<code>内核缓冲区</code>和<code>物理设备</code>（如磁盘）之间的交换，这项底层的读写交换，是由<code>操作系统内核</code>（Kernel）来完成的。</td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">在用户程序中，无论是<code>Socket的IO</code>、还是<code>文件IO</code>操作，都属于上层应用的开发，它们的输入（Input）和输出（Output）的处理，在编程的流程上，都是一致的。</td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

###  内核缓冲区与进程缓冲区  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">为什么设置那么多的缓冲区，为什么要那么麻烦呢？</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">缓冲区的目的，是为了减少频繁地与设备之间的物理交换。大家都知道，外部设备的直接读写，涉及<code>操作系统的中断</code>。发生系统中断时，需要<code>保存</code>之前的进程数据和状态等信息，而结束中断之后，还需要<code>恢复</code>之前的进程数据和状态等信息。为了减少这种底层系统的时间损耗、性能损耗，于是出现了内存缓冲区。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">有了内存缓冲区，上层应用使用read系统调用时，仅仅把数据从<code>内核缓冲区</code>复制到上层应用的缓冲区（<code>进程缓冲区</code>）；上层应用使用write系统调用时，仅仅把数据从<code>进程缓冲区</code>复制到<code>内核缓冲区</code>中。<code>底层操作会对内核缓冲区进行监控，等待缓冲区达到一定数量的时候，再进行IO设备的中断处理，集中执行物理设备的实际IO操作</code>，这种机制提升了系统的性能。至于什么时候中断（读中断、写中断），由操作系统的内核来决定，用户程序则不需要关心。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">从数量上来说，在Linux系统中，<code>操作系统内核只有一个内核缓冲区</code>。而<code>每个用户程序（进程），有自己独立的缓冲区</code>，叫作进程缓冲区。所以，用户程序的IO读写程序，在大多数情况下，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直接进行<code>数据的交换</code>。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

###  系统调用read&write的流程  ###

![在这里插入图片描述][7b4731ac960340669337727b966aab6c.png_pic_center]

###  详解典型的系统调用流程  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">这里以read系统调用为例，先看下一个完整输入流程的两个阶段：</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">·等待数据准备好。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·从内核向进程复制数据。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>如果是read一个<code>socket（套接字）</code>，那么以上两个阶段的具体处理流程如下：</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·第一个阶段，等待数据从网络中到达网卡。当所等待的分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。这个工作由操作系统自动完成，用户程序无感知。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·第二个阶段，就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>再具体一点，如果是在Java服务器端，完成一次socket请求和响应，完整的流程如下：</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·客户端请求：Linux通过<code>网卡</code>读取客户端的请求数据，将数据读取到<code>内核缓冲区</code>。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·获取请求数据：Java服务器通过read系统调用，从Linux<code>内核缓冲区</code>读取数据，再送入Java<code>进程缓冲区</code>。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·服务器端业务处理：Java服务器在自己的<code>用户空间</code>中处理客户端的请求。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·服务器端返回数据：Java服务器完成处理后，构建好的响应数据，将这些数据从<code>用户缓冲区</code>写入<code>内核缓冲区</code>。这里用到的是write系统调用。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·发送给客户端：Linux内核通过网络IO，将<code>内核缓冲区</code>中的数据<code>写入网卡</code>，网卡通过底层的通信协议，会将数据发送给目标客户端。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

\-----------------------------------------------------------------------------读书笔记摘自书名：Netty、Redis、Zookeeper高并发实战 作者：尼恩

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