2.1 IO读写的基本原理

操作系统将内存（虚拟内存）划为两部分：

• 内核空间 Kernel-Space
• 用户空间 User-Space

在linux系统中：

• 内核模块运行在内核空间，对应的进程处于内核态；
• 用户程序运行在用户空间，对应的进程处于用户态；

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操作系统的核心是内核程序，它独立于普通的应用程序，既有权限访问受保护的内核空间，也有权限访问硬件设备，普通的应用程序没有这样的权限。

内核空间总是驻留在内存中。

应用程序不允许直接在内核空间区域进行读写，也不允许直接调用内核代码定义的函数。

每个应用程序进程都有一个单独的用户空间，对应的进程处于用户态，用户态进程不能访问内核空间中的数据，也不能直接调用内核函数，因此需要将进程切换到内核态才能进行系统调用。

内核态进程可以执行任意命令，调用系统的一切资源，而用户态进程只能执行简单的运算。
用户态进程必须通过系统调用向内核发出指令，完成调用系统资源之类的操作。

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用户程序进行IO读写依赖于底层的IO读写，用到底层的read和write两大系统调用。

上层应用无论是调用操作系统中的read还是write，都会涉及缓冲区。

• 上层应用通过操作系统的read系统调用把数据从内核缓冲区复制到应用程序的进程缓冲区
• 通过write系统调用把数据从应用的进程缓冲区复制到操作系统的内核缓冲区

应用程序的IO操作实际上不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制

2.1.1 内核缓冲区与进程缓冲区

缓冲区的目的：减少与设备之间的频繁物理交换。

• 外部设备的直接读写设计操作系统的中断。
• 发生系统中断时需要保存之前的进程数据和状态等信息，结束中断之后还需要恢复之前的进程数据和状态等信息
• 为了减少底层系统的频繁中断所导致的时间损耗、性能损耗，出现了内核缓冲区

操作系统会对内核缓冲区进行监控，当缓冲区到达一定数量时，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，提升系统的性能。

• 上层应用使用read系统调用时，仅仅把数据从内核缓冲区复制到应用的缓冲区（进程缓冲区）；
• 上层应用使用write系统调用时，仅仅把数据从应用的缓冲区复制到内核缓冲区。

Linux中，操作系统内核只有一个内核缓冲区，每个用户程序都有自己独立的缓冲区，叫做用户缓冲区或进程缓冲区。

2.1.2 典型的系统调用流程

以read系统调用为例：

1. 应用程序等待数据准备好。
   应用程序等待数据通过网络到达网卡，当所等待的分组到达时，数据被操作系统复制到内核缓冲区中。这个工作由操作系统自动完成，用户程序无感知。
2. 从内核缓冲区向用户缓冲区复制数据。

如果是在Java客户端和服务端之间完成一次socket请求和响应（包括read和write）的数据交换，其完整的流程如下：

• 客户端发送请求： Java客户端程序通过write系统调用将数据复制到内核缓冲区，Linux将内核缓冲区的请求数据通过客户端机器的网卡发送出去。在服务端，这份请求数据会从接收网卡中读取到服务端机器的内核缓冲区。
• 服务端获取请求： Java服务端程序通过read系统调用从Linux内核缓冲区读取数据，再送入Java进程缓冲区。
• 服务端业务处理：Java服务器在自己的用户空间中完成客户端的请求所对应的业务处理。
• 服务端返回数据： Java服务器完成处理后，构建好的响应数据将从用户缓冲区写入内核缓冲区，这里用到的是write系统调用，操作系统会负责将内核缓冲区的数据发送出去。
• 发送给客户端： 服务端Linux系统将内核缓冲区中的数据写入网卡，网卡通过底层的通信协议将数据发送给目标客户端。