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对IO概念模糊：计算机IO过程与零拷贝

2023-10-08 07:04:51 软件 268观看

摘要一、前置知识1.1 内存分段现代计算机在加载操作系统、正常启动后，其内存会主要分成两大段：内核段用户段内核段：操作系统本质上是一个计算机的管理程序，该程序相关的所有资源，被存放在内核段中。用户段：用户段用来存放各个进

一、前置知识

1.1 内存分段

现代计算机在加载操作系统、正常启动后，其内存会主要分成两大段：

内核段
用户段

内核段：

操作系统本质上是一个计算机的管理程序，该程序相关的所有资源，被存放在内核段中。

用户段：

用户段用来存放各个进程的数据和指令。

根据所访问的内存段的不同，CPU会处于不同的态，访问用户段的时候处于用户态，访问内核段的时候处于内核态。

1.2 CPU的态

1.2.1 CPU的工作过程

CPU要执行的指令的地址存在寄存器中，指令存放在内存中，而CPU本质上就是一个去内存中根据地址取指令，然后执行指令的硬件。

举一个例子：

例如PC寄存器中存放50，CPU读到存放的50，发出一条取址指令，去取出地址为50的内存单元中的指令，再传回给CPU。

1.4 IO与内存

计算机进行IO的时候，本质上会为每一个IO设备在内存中分配一块空间，向这块空间里进行读写，即可完成IO。为什么给IO设备分配的内存会是在内核段里喃？主要是基于两点进行考虑的：

安全性
特权操作

1.4.1 安全性：

I/O 操作通常需要与计算机的外部设备（如磁盘、网络设备等）进行交互，如果允许各个进程自己私自与外部设备进行交互，IO的内存放在各个进程内部，太散了，不是很好进行安全控制，相反，如果将IO的内存放在内核段，就很便于集中管理，可以附加一些安全机制上去。

1.4.2 特权操作：

首先IO指令本身就是特权指令，会让CPU进入内核态，其次进行IO的时候会用到中断信号，也涉及到特权指令，也要求CPU处于内核态，所以如果IO内存是在内核段中，让CPU提前进入内核状态，也避免了后面来回切状态造成的时间浪费。

整个IO在内存中的流转过程如下：

读的时候磁盘拷贝到内核段、内核段拷贝到用户段，

写的时候用户段拷贝到内核段、内核段拷贝到磁盘。

一共四次复制。

特别说明：

我知道其它很多地方这里将图画成了这个样子：

之所以能实现这样的效果是得益于操作系统底层有两种读操作：

读取数据：常见的系统调用如 read()（用于文件描述符）或 recv()（用于套接字）用于从文件或套接字中读取数据。这些系统调用从相应的输入源（如磁盘、网络等）读取数据，并将其复制到应用程序提供的缓冲区中。这种方式涉及了数据的复制，因为数据需要从内核态复制到用户态缓冲区中。

读取映射：另一种方式是通过内存映射（Memory Mapping）来实现读取操作。通过将文件或设备的数据映射到进程的内存区域中，应用程序可以直接访问内存映射区域中的数据，而无需使用传统的 read() 系统调用。在这种情况下，应用程序可以通过直接读取内存映射区域中的数据来获取文件或设备的内容，避免了中间的数据复制。

特别说明：

还是和上文类似，画图的问题。这里为了涵盖，本地IO和网络IO两种情况，内核段没拆成几个设备的不同地址空间，但是如果是从磁盘中读，然后向网络中写，是跨了IO设备的，所以中间有个内核段地址间的复制过程，如下图：

三、JAVA中的零拷贝

零拷贝需要进行系统调用才能实现，很明显要我们手写实现零拷贝是很底层、很麻烦的，好在JAVA在NIO中封装了mmap、SendFile两种零拷贝的API，当我们想在JAVA中使用零拷贝时，直接调API即可。

很多同学在NIO中老是搞不明白channel和buffer的关，容易晕，这里博主一句话总结一下：

JavaNlO中的Channel就相当于操作系统中的内核缓冲区，而Buffer就相当于操作系统中的用户缓冲区。

mmap：

MappedByteBuffer mappedByteBuffer = new RandomAccessFile(file, "r")                                  .getChannel()                                 .map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, len);

SendFile：

sendFile进行网络传输：

FileChannel sourceChannel = new RandomAccessFile(sourceFile, "rw").getChannel();SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(sa);sourceChannel.transferTo(0, sourceChannel.size(), socketChannel);

sendFile进行文件拷贝：

try (FileChannel srcChannel = new FileInputStream(src).getChannel();     FileChannel targetChannel = new FileInputStream(target).getChannel()) {     srcChannel.transferTo(0, srcChannel.size(), targetChannel ); } catch (IOException e) {     e.printStackTrace(); }

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