基础知识之什么是I/O

本文内容来之书籍《Netty 4核心原理与手写RPC框架实战》

1. 什么是I/O

我们都知道在UNIX世界里一切皆文件，而文件是什么呢？文件就是一串二进制流而已，其实不管是Socket，还是FIFO（First Input First Output，先进先出队列））、管道、终端。对计算机来说，一切都是文件，一切都是流。在信息交换的过程中，计算机都是对这些流进行数据的收发操作，简称为I/O操作（Input andOutput），包括往流中读出数据、系统调用Read、写入数据、系统调用Write。不过计算机里有那么多流，怎么知道要操作哪个流呢？实际上是由操作系统内核创建文件描述符（File Descriptor，FD）来标识的，一个FD就是一个非负整数，所以对这个整数的操作就是对这个文件（流）的操作。我们创建一个Socket，通过系统调用会返回一个FD，那么剩下的对Socket的操作就会转化为对这个描述符的操作，这又是一种分层和抽象的思想。

2. I/O交互流程

通常用户进程中的一次完整I/O交互流程分为两阶段，首先是经过内核空间，也就是由操作系统处理；紧接着就是到用户空间，也就是交由应用程序。具体交互流程如下图所示。

内核空间中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间，它们都处于虚拟空间中，Linux使用两级保护机制：0级供内核（Kernel）使用，3级供用户程序使用。每个进程都有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。最高的1G字节虚拟内核空间则为所有进程及内核共享。

操作系统和驱动程序运行在内核空间，应用程序运行在用户空间，两者不能简单地使用指针传递数据。因为Linux使用的虚拟内存机制，必须通过系统调用请求Kernel来协助完成I/O操作，内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区，用户空间的数据可能被换出，所以当内核空间使用用户空间的指针时，对应的数据可能不在内存中。

对于一个输入操作来说，进程I/O系统调用后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，如果没有再到设备中读取。因为设备I/O一般速度较慢，需要等待，内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。所以，一个网络输入操作通常包括两个不同阶段。

（1）等待网络数据到达网卡，然后将数据读取到内核缓冲区。（2）从内核缓冲区复制数据，然后拷贝到用户空间。I/O有内存I/O、网络I/O和磁盘I/O三种，通常我们说的I/O指的是后两者。如下图所示是I/O通信过程的调度示意。