你有没有想过当咱们执行I/O操作时计算机底层都产生了些什么？
在答复这个问题之前，咱们先来看下为什么对于计算机来说I/O是极其重要的。
不能执行I/O的计算机是什么？
置信对于程序员来说I/O操作是最为相熟不过的了：
当咱们应用C语言中的printf、C++中的”<<“，Python中的print，Java中的System.out.println等时，这是I/O；当咱们应用各种语言读写文件时，这也是I/O；当咱们通过TCP/IP进行网络通信时，这同样是I/O;当咱们应用鼠标龙飞凤舞时，当咱们扛起键盘在评论区里指点江山亦或是埋头苦干致力制作bug时、当咱们能看到屏幕上的丑陋的图形界面时等等，这一切都是I/O。
想一想，如果没有I/O计算机该是一种如许干燥的设施，不能看电影、不能玩游戏，也不能上网，这样的计算机最多就是一个大号的计算器。
既然I/O这么重要，那么到底什么才是I/O呢？
什么是I/O
I/O就是简略的数据Copy，仅此而已。
这一点很重要，为了加深大家的印象，来，Everybody，Follow me，那边树上的敌人，还有那边墙上的敌人们，举起你们的双手，跟我唱，苍莽的咫尺是。。。Sorry，I/O仅仅就是数据copy、I/O仅仅就是数据copy。
让咱们先把演唱会的事件放在一边，既然是copy数据，又是从哪里copy到哪里呢？
如果数据是从外部设备copy到内存中，这就是Input。
如果数据是从内存copy到外部设备，这就是Output。
内存与外部设备之间不嫌麻烦的来回copy数据就是Input and Output，简称I/O（Input/Output），仅此而已。
I/O与CPU
当初咱们晓得了什么是I/O，接下来就是重点局部了，大家留神，坐稳了。
咱们晓得当初的CPU其主频都是数GHz起步，这是什么意思呢？简略说就是CPU执行机器指令的速度是纳秒级别的，而通常的I/O比方磁盘操作，一次磁盘seek大略在毫秒级别，因而如果咱们把CPU的速度比作战斗机的话，那么I/O操作的速度就是肯德鸡。
也就是说当咱们的程序跑起来时(CPU执行机器指令)，其速度是要远远快于I/O速度的，那么接下来的问题就是二者速度相差这么大，那么咱们该如何设计、该如何更加正当的高效利用系统资源呢？
既然有速度差别，而且过程在执行完I/O操作前不能持续向前推动，那么显然只有一个方法，那就是期待，wait。
同样是期待，有聪慧的期待，也有傻傻的期待，简称傻等，那么是抉择聪慧的期待呢还是抉择傻等呢？
假如你是一个急性子(CPU)，须要期待一个重要的文件，不巧的是这个文件只能快递过去(I/O)，那么这时你是抉择什么事件都不干了，深情的凝视着门口就像盼望着你的哈尼一样分心期待这个快递呢？还是临时先不要管快递了，玩个游戏看个电影刷会儿短视频等快递来了再说呢？
很显然，更好的办法就是先去干其它事件，快递来了再说。
因而这里的关键点就是快递没到前手头上的事件能够先暂停，切换到其它工作，等快递过去了再切换回来。
了解了这一点你就能明确执行I/O操作时底层都产生了什么。
接下来让咱们以读取磁盘文件为例来解说这一过程。
执行I/O时底层都产生了什么
在上一篇《一文彻底了解高并发高性能中的线程与线程池》中，咱们引入了过程和线程的概念，在反对线程的操作系统中，实际上被调度的是线程而不是过程，为了更加清晰的了解I/O过程，咱们临时假如操作系统只有过程这样的概念，先不去思考线程，这并不会影响咱们的探讨。
当初内存中有两个过程，过程A和过程B，以后过程A正在运行，如图所示：
过程A中有一段读取文件的代码，不论在什么语言中通常咱们定义一个用来装数据的buff，而后调用read之类的函数，像这样：
read(buff);
这就是一种典型的I/O操作，当CPU执行到这段代码的时候会向磁盘发送读取申请，留神与CPU执行指令的速度相比，I/O操作操作是十分慢的，因而操作系统是不可能把贵重的CPU计算资源节约在无谓的期待上的，这时重点来了，留神接下来是重点哦。
因为外部设备执行I/O操作是相当慢的，因而在I/O操作实现之前过程是无奈持续向前推动的，这就是所谓的阻塞，即通常所说的block。操作系统检测到过程向I/O设施发动申请后就暂停过程的运行，怎么暂停运行呢？很简略，只须要记录下以后过程的运行状态并把CPU的PC寄存器指向其它过程的指令就能够了。
过程有暂停就会有继续执行，因而操作系统必须保留被暂停的过程以备后续继续执行，显然咱们能够用队列来保留被暂停执行的过程，如图所示，过程A被暂停执行并被放到阻塞队列中(留神，不同的操作系统会有不同的实现，可能每个I/O设施都有一个对应的阻塞队列，但这种实现细节上的差别不影响咱们的探讨)。
这时操作系统曾经向磁盘发送了I/O申请，因而磁盘driver开始将磁盘中的数据copy到过程A的buff中，尽管这时过程A曾经被暂停执行了，但这并不障碍磁盘向内存中copy数据。留神，古代磁盘向内存copy数据时无需借助CPU的帮忙，这就是所谓的DMA(Direct Memory Access)，这个过程如图所示：
让磁盘先copy着数据，咱们接着聊。
实际上操作系统中除了有阻塞队列之外也有就绪队列，所谓就绪队列是指队列里的过程准备就绪能够被CPU执行了，你可能会问为什么不间接执行非要有个就绪队列呢？答案很简略，那就是口多食寡，在即便只有1个核的机器上也能够创立出成千上万个过程，CPU不可能同时执行这么多的过程，因而必然存在这样的过程，即便其所有准备就绪也不能被调配到计算资源，这样的过程就被放到了就绪队列。
当初过程B就位于就绪队列，万事俱备只欠CPU，如图所示：
当过程A被暂停执行后CPU是不能够闲下来的，因为就绪队列中还有嗷嗷待哺的过程B，这时操作系统开始在就绪队列中找下一个能够执行的过程，也就是这里的过程B。
此时操作系统将过程B从就绪队列中取出，找出过程B被暂停时执行到的机器指令的地位，而后将CPU的PC寄存器指向该地位，这样过程B就开始运行啦，如图所示：
留神，留神，接下来的这段是重点中的重点。
留神察看上图，你能看出这种设计的精妙之处吗，这对于了解操作系统至关重要，关注公众号“码农的荒岛求生”回复“过程”二字你就能失去答案以及该过程的最初两个步骤啦。
零拷贝，Zero-copy
最初须要留神的一点就是下面的解说中咱们间接把磁盘数据copy到了过程空间中，但实际上个别状况下I/O数据是要首先copy到操作系统外部，而后操作系统再copy到过程空间中。因而咱们能够看到这里其实还有一层通过操作系统的copy，对于性能要求很高的场景其实也是能够绕过操作系统间接进行数据copy的，这也是本文形容的场景，这种绕过操作系统间接进行数据copy的技术被称为Zero-copy，也就零拷贝，高并发、高性能场景下罕用的一种技术，原理上很简略吧。
总结
本文解说的是程序员罕用的I/O，一般来说作为程序员咱们无需关怀，然而了解I/O背地的底层原理对于设计高性能、高并发零碎是极为无益的，心愿这篇能对大家加深对I/O的意识有所帮忙。
发表回复