虎牙java高级一面 内核缓冲区面试题解析分享

内核态和用户态

先来回顾下内核态和用户态：

众所周知，CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统的内核程序（也称为系统程序），一种是应用程序。前者完成系统任务，后者实现应用任务。两者之间有控制和被控制的关系，前者有权管理和分配资源，而后者只能向系统申请使用资源。

显然，我们应该把在 CPU 上运行的这两类程序加以区分，这就是内核态和用户态出现的原因。

• 内核态（kernel mode）：当 CPU 处于内核态时，这是操作系统管理程序（也就是内核）运行时所处的状态。运行在内核态的程序可以访问计算机的任何资源，不受限制，为所欲为，例如协调 CPU 资源，分配内存资源，提供稳定的环境供应用程序运行等。

• 用户态（user mode）：应用程序基本都是运行在用户态的，或者说用户态就是提供应用程序运行的空间。运行在用户态的程序只能访问当前 CPU 上执行程序所在的地址空间，这样有效地防止了操作系统程序受到应用程序的侵害。

对操作系统来说，什么样的程序应该放在内核态呢？

这取决于对资源的需求、时间的紧迫和效率高低等因素。比如 CPU、内存、设备等资源管理器程序应该在内核态运行，否则安全性没有保证。对于文件系统和数据来说，文件系统数据和管理必须放在内核态，但是用户的数据和管理可以放在用户态。

应用程序如果想要访问系统资源，可以通过系统调用 or 中断（外中断、内中断）从而使得 CPU 从用户态转向内核态

所谓系统调用，其实就是一些函数，操作系统直接提供了这些函数用于对文件和设备进行访问和控制。

最常见的就是 read 和 write 这俩

简单介绍下：

• read：从文件中读取内容

• write：往文件中写入内容

内核缓冲区

根据内核态和用户态的定义，我们不难理解内核空间和用户空间的定义

• 用户操作系统内核能够访问的内存区域呢，就称为内核空间，它独立于普通的应用程序，是受保护的内存空间

• 而普通应用程序可访问的内存区域呢，就是用户空间

当我们说一个应用程序从磁盘上读取文件时，通常分两步走：

操作系统（内核）先从磁盘上读取数据存到内核空间，再把数据从内核空间拷贝到用户空间。此后，用户应用程序才可以操作此数据。

所以，在这个过程中有两次数据读取操作：

1. 第一步：从磁盘上读取

2. 第二步：从内存中读取

众所周知，访问磁盘的速度要远远低于访问内存的速度，完全不是一个量级的，所以理论上 read 磁盘的速度要远远慢于 read 内存。

那么整个文件读取过程的最大时间瓶颈就出现在了对磁盘的读取上。

要解决这个问题，内核缓冲区（Kernel Buffer Cache）就应运而生了。

本质上其实就是内核空间的一块内存区域罢了

从 Buffer Cache（缓冲区缓存）这个名字上能看出来，内核缓冲区（准确的说，应该是内核缓冲区缓存），其实有两个作用，缓冲(Buffer) + 缓存(Cache)

小牛肉 PS：实话实说，各种各样的翻译很容易让我们的学习曲线陡峭起来，记住 Buffer Cache 比记住内核缓冲区或者用户缓冲区这俩名词要好得多，这俩容易让人摸不着头脑。

先来看看它是怎么充当 Cache 的：

⭐ 数据预读

数据预读指的是，当程序发起 read() 系统调用时，内核会比请求更多地读取磁盘上的数据，保存在缓冲区，以备程序后续使用。这种数据的预取策略其实就是基于局部性原理

因此当我们向内核请求读取数据时，内核会先到内核缓冲区中去寻找，如果命中数据，则不需要进行真正的磁盘 I/O，直接从缓冲区中返回数据就行了；如果缓存未命中，则内核会从磁盘中读取请求的 page，并同时读取紧随其后的几个 page（比如三个），如果文件是顺序访问的，那么下一个读取请求就会命中之前预读的缓存（当然了，预读算法非常复杂，这里只是一个简化的逻辑）。

再来看看内核缓冲区是怎么充当 Buffer 的：

⭐ 延时回写

回写指的是，当程序发起 write() 系统调用时，内核并不会直接把数据写入到磁盘文件中，而仅仅是写入到缓冲区中，几秒后（或者说等数据堆积了一些后）才会真正将数据刷新到磁盘中。对于系统调用来说，数据写入缓冲区后，就返回了。

延迟往磁盘写入数据的最大一个好处就是，可以合并更多的数据一次性写入磁盘，把小块的 I/O 变成大块 I/O，减少磁盘处理命令次数，从而提高提盘性能。

另一个好处是，当其它进程紧接着访问该文件时，内核可以从直接从缓冲区中提供更新的文件数据（这里又是充当 Cache 了）。

说起来一大堆，其实很简单，把握缓冲和缓存的定义就行了，如果你是读，我就会拿多一点放在内核缓冲区，这样你下次读的时候大概率就不需要访问磁盘了，直接从内核缓冲区拿就行；如果你是写，我就会等内核缓冲区中的数据堆积得多了再写磁盘，而不是来一点数据就写一次磁盘

无论是读操作还是写操作，无论是充当缓存还是缓冲，究其根本，内核缓冲区的作用都是为了减少磁盘 IO 的次数

用户缓冲区

上面提到，read 磁盘的速度要远远慢于 read 内存，不过事实上，read 内存这个操作也挺费时的，因为应用程序想要访问系统资源的话，就要通过系统调用 or 中断（外中断、内中断）使得 CPU 从用户态转向内核态，这个状态的改变需要涉及堆栈的环境和数据变化，还是挺需要时间的。

那为了减少系统调用的发生呢（或者说，减少用户态和内核态的转换次数），就设计了用户缓冲区。

作用和内核缓冲区一样，数据预读 + 延时回写，既充当 Cache 又充当 Buffer。

不同的就是，内核缓冲区处理的是内核空间和磁盘之间的数据传递，目的是减少访问磁盘的次数；而用户缓冲区处理的是用户空间和内核空间的数据传递，目的是减少系统调用的次数（感觉这句话总结的不错，给自己点个赞）

另外，从上面的分析我们可以看出，read() 和 write() 都并非真正执行 I/O 操作（或者说，都并不直接和磁盘进行交互），它只代表数据在用户空间 / 内核空间传递的完成，read 是把数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区，write 是把用户缓冲区复制到内核缓冲区

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