IO读写原理与IO模型
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发布时间：2022-10-09 06:45
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时间：2023-12-15 01:15
为了保护操作系统安全，操作系统按照特权等级将将虚拟空间划分为两个部分，内核空间与用户空间。内核空间（Ring 0）是操作系统内核访问的区域，具有最高权限，可以直接访问所有资源。用户空间（Ring 3）是普通应用程序可访问的内存区域，只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。只能访问用户空间也就是运行在Ring 3上的程序我们称为用户程序，而运行在Ring 0上的程序我们称为内核程序。
用户程序不能访问内核空间，如果想要调用内核程序进行IO操作，必须从用户态切换为内核态，等到内核处理完之后再切换为用户态。
用户程序进行IO操作时需要进行两次状态切换：用户态->内核态->用户态，具体流程如下：
用户程序每进行一次系统调用都会进行两次状态切换，频繁的状态切换会影响程序运行效率，缓冲区的作用就是为了减少系统调用。缓冲区分为两种：内核缓冲区与用户缓冲区：
用户程序进行IO读写操作会发起系统调用，操作系统内核将磁盘数据读取到内核缓冲区，然后从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，流程如下：
举例来说，如果要读取一个文件并通过网络发送它，传统方式下每个读/写周期都需要复制两次数据和切换两次上下文，而数据的复制都需要依靠CPU。通过零复制技术完成相同的操作，上下文切换减少到两次，并且不需要CPU复制数据。
不使用零拷贝
不适用零拷贝需要经历四次数据拷贝+三次状态切换
mmap + write
mmap + write方式减少了一次CPU拷贝
sendfile
sendfile方式不涉及CPU拷贝
在讲解IO模型前，先了解下几个概念：阻塞与非阻塞、同步与异步：
阻塞IO
用户进程发起系统调用，如果数据还未准备完成，用户进程一直等待，直到数据准备完成，从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区才返回成功提示，此次IO操作，称之为阻塞IO。缺点：如果数据没有准备好，则用户进程一直处于阻塞状态，如果想要同时处理很多请求，则需要为每个请求分配线程进行处理，系统开销较大。
非阻塞IO
用户进程发起系统调用，如果数据还未准备好，立刻返回状态标识，用户进程后续可以通过轮询的方式查看结果。缺点：虽然用户进程不阻塞了，但需要频繁的轮询获取结果，这样会导致频繁的系统调用，消耗大量的CPU资源。
IO多路复用
将IO事件注册到IO多路复用器（select/poll/epoll）上，select调用进程将一直阻塞直至注册在其上的任意一个IO时间数据准备完成时，才会返回。
信号驱动IO
用户进程发起系统调用，会向内核注册一个信号处理函数，然后进程返回不阻塞；当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，进程便在信号处理函数中调用IO读取数据。
异步IO
用户进程发起系统调用后直接返回，等到处理完成，主动通知进程结果。
对本文做个回顾：
用户进程运行在用户空间，只能访问受限资源，如果需要访问磁盘等硬件设备需要发起系统调用，从用户态切换为用户态；
为了减少频繁的系统调用，降低CPU消耗，讲解了内核缓冲区与用户缓冲区的作用；
IO读写流程，需要经历两次状态切换与两次数据拷贝；
零拷贝原理；
阻塞与非阻塞、同步与异步概念，四种同步IO模型，一种异步IO模型。
