這是一份很全很全的IO基礎(chǔ)知識與概念
什么是 IO
在計算機操作系統(tǒng)中，所謂的I/O就是?輸入（Input）和輸出（Output），也可以理解為讀（Read）和寫（Write)，針對不同的對象，I/O模式可以劃分為磁盤IO模型和網(wǎng)絡(luò)IO模型。
IO操作會涉及到用戶空間和內(nèi)核空間的轉(zhuǎn)換，先來理解以下規(guī)則：
內(nèi)存空間分為用戶空間和內(nèi)核空間，也稱為用戶緩沖區(qū)和內(nèi)核緩沖區(qū)；
用戶的應(yīng)用程序不能直接操作內(nèi)核空間，需要將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間才能使用；
無論是read操作，還是write操作，都只能在內(nèi)核空間里執(zhí)行；
磁盤IO和網(wǎng)絡(luò)IO請求加載到內(nèi)存的數(shù)據(jù)都是先放在內(nèi)核空間的；
再來看看所謂的讀（Read）和寫（Write)操作：
讀操作：操作系統(tǒng)檢查內(nèi)核緩沖區(qū)有沒有需要的數(shù)據(jù)，如果內(nèi)核緩沖區(qū)已經(jīng)有需要的數(shù)據(jù)了，那么就直接把內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)copy到用戶空間，供用戶的應(yīng)用程序使用。如果內(nèi)核緩沖區(qū)沒有需要的數(shù)據(jù)，對于磁盤IO，直接從磁盤中讀取到內(nèi)核緩沖區(qū)（這個過程可以不需要cpu參與）。而對于網(wǎng)絡(luò)IO，應(yīng)用程序需要等待客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，如果客戶端還沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，對應(yīng)的應(yīng)用程序?qū)蛔枞?，直到客戶端發(fā)送了數(shù)據(jù)，該應(yīng)用程序才會被喚醒，從Socket協(xié)議找中讀取客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間，然后把內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)copy到用戶空間，供應(yīng)用程序使用。
寫操作：用戶的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)從用戶空間copy到內(nèi)核空間的緩沖區(qū)中（如果用戶空間沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則需要從磁盤—>內(nèi)核緩沖區(qū)—>用戶緩沖區(qū)依次讀取），這時對用戶程序來說寫操作就已經(jīng)完成，至于什么時候再寫到磁盤或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，由操作系統(tǒng)決定。除非應(yīng)用程序顯示地調(diào)用了sync 命令，立即把數(shù)據(jù)寫入磁盤，或執(zhí)行flush()方法，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
絕大多數(shù)磁盤IO和網(wǎng)絡(luò)IO的讀寫操作都是上述過程，除了后面要講到的零拷貝IO。
用戶空間&內(nèi)核空間
野生程序員對于這個概念可能比較陌生，這其實是 Linux 操作系統(tǒng)中的概念。虛擬內(nèi)存（操作系統(tǒng)中的概念，和物理內(nèi)存是對應(yīng)的）被操作系統(tǒng)劃分成兩塊：User Space（用戶空間 和 Kernel Space（內(nèi)核空間），本質(zhì)上電腦的物理內(nèi)存是不劃分這些的，只是操作系統(tǒng)開機啟動后在邏輯上虛擬劃分了地址和空間范圍。
操作系統(tǒng)會給每個進程分配一個獨立的、連續(xù)的虛擬內(nèi)存地址空間（物理上可能不連續(xù)），以32位操作系統(tǒng)為例，該大小一般是4G，即232 。其中將高地址值的內(nèi)存空間分配給系統(tǒng)內(nèi)核占用（網(wǎng)上查資料得知：Linux下占1G，Windows下占2G），其余的內(nèi)存地址空間分配給用戶進程使用。
因為我們不是要深入學習操作系統(tǒng)，所以這里以32位系統(tǒng)舉例旨在幫助你理解原理。32 位的 LInux 操作系統(tǒng)下，0~3G為用戶空間，3~4G為內(nèi)核空間：
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那為什么要這樣劃分出空間范圍呢？
也很好理解，畢竟操作系統(tǒng)身份高貴，太重要了，不能和用戶應(yīng)用程序在一起玩耍，各自的數(shù)據(jù)都要分開存儲并且嚴格控制權(quán)限不能越界。這樣才能保證操作系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，用戶應(yīng)用程序太不可控了，不同公司或者個人都可以開發(fā)，碰到坑爹的誤操作或者惡意破壞系統(tǒng)數(shù)據(jù)直接宕機玩完了。隔離后應(yīng)用程序要掛你就掛，操作系統(tǒng)可以正常運行。
簡單說，內(nèi)核空間?是操作系統(tǒng)?內(nèi)核代碼運行的地方，用戶空間?是?用戶程序代碼運行的地方。當應(yīng)用進程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時就處于內(nèi)核態(tài)，當應(yīng)用進程在運行用戶代碼時就處于用戶態(tài)。
同時內(nèi)核空間可以執(zhí)行任意的命令，而用戶空間只能執(zhí)行簡單的運算，不能直接調(diào)用系統(tǒng)資源和數(shù)據(jù)。必須通過操作系統(tǒng)提供接口，向系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)送指令。
一旦調(diào)用系統(tǒng)接口，應(yīng)用進程就從用戶空間切換到內(nèi)核空間了，因為開始運行內(nèi)核代碼了。
簡單看幾行代碼，分析下是應(yīng)用程序在用戶空間和內(nèi)核空間之間的切換過程：
str = "i am qige" // 用戶空間x = x + 2file.write(str) // 切換到內(nèi)核空間y = x + 4 // 切換回用戶空間
上面代碼中，第一行和第二行都是簡單的賦值運算，在用戶空間執(zhí)行。第三行需要寫入文件，就要切換到內(nèi)核空間，因為用戶不能直接寫文件，必須通過內(nèi)核安排。第四行又是賦值運算，就切換回用戶空間。
用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的3種方式：
系統(tǒng)調(diào)用。也稱為 System Call，是說用戶態(tài)進程主動要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式，用戶態(tài)進程使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作，比如上面示例代碼中的寫文件調(diào)用，還有像 fork() 函數(shù)實際上就是執(zhí)行了一個創(chuàng)建新進程的系統(tǒng)調(diào)用。而系統(tǒng)調(diào)用的機制其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開放的一個中斷來實現(xiàn)。
異常。當CPU在用戶空間執(zhí)行程序代碼時發(fā)生了不可預(yù)期的異常，這時會觸發(fā)由當前運行進程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)程序中，切換到內(nèi)核態(tài)，比如缺頁異常。
外圍設(shè)備的中斷。?當外圍設(shè)備完成用戶請求的某些操作后，會向CPU發(fā)送相應(yīng)的中斷信號，這時CPU會暫停執(zhí)行下一條即將執(zhí)行的指令轉(zhuǎn)而去執(zhí)行與中斷信號對應(yīng)的處理程序，如果當前正在運行用戶態(tài)下的程序指令，自然就發(fā)了由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。比如硬盤數(shù)據(jù)讀寫完成，系統(tǒng)會切換到中斷處理程序中執(zhí)行后續(xù)操作等。
以上3種方式，除了系統(tǒng)調(diào)用是進程主動發(fā)起切換，異常和外圍設(shè)備中斷是被動切換的。
查看 CPU 時間在 User Space 與 Kernel Space 之間的分配情況，可以使用top命令。它的第三行輸出就是 CPU 時間分配統(tǒng)計。
我們來看看圖中圈出來的 CPU 使用率的三個指標：
其中，第一項 7.57% user 就是 CPU 消耗在 User Space 的時間百分比，第二項 7.0% sys是消耗在 Kernel Space 的時間百分比。第三項 85.4% idle 是 CPU 消耗在閑置進程的時間百分比，這個值越低，表示 CPU 越忙。
PIO&DMA
大家都知道一般我們的數(shù)據(jù)是存儲在磁盤上的，應(yīng)用程序想要讀寫這些數(shù)據(jù)肯定就需要加載到內(nèi)存中。接下來給大家介紹下?PIO?和?DMA?這兩種 IO 設(shè)備和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。
PIO 工作原理
用戶進程通過read等系統(tǒng)調(diào)用接口向操作系統(tǒng)（即CPU）發(fā)出IO請求，請求讀取數(shù)據(jù)到自己的用戶內(nèi)存緩沖區(qū)中，然后該進程進入阻塞狀態(tài)。
操作系統(tǒng)收到用戶進程的請求后，進一步將IO請求發(fā)送給磁盤。
磁盤驅(qū)動器收到內(nèi)核的IO請求后，把數(shù)據(jù)讀取到自己的緩沖區(qū)中，此時不占用CPU。當磁盤的緩沖區(qū)被讀滿之后，向內(nèi)核發(fā)起中斷信號告知自己緩沖區(qū)已滿。
內(nèi)核收到磁盤發(fā)來的中斷信號，使用CPU將磁盤緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)copy到內(nèi)核緩沖區(qū)中。
如果內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)少于用戶申請讀的數(shù)據(jù)，則重復(fù)步驟2、3、4，直到內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)符合用戶的要求為止。
內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)已經(jīng)符合用戶的要求，CPU停止向磁盤IO請求。
CPU將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)，同時從系統(tǒng)調(diào)用中返回。
用戶進程讀取到數(shù)據(jù)后繼續(xù)執(zhí)行原來的任務(wù)。
PIO缺點：每次IO請求都需要CPU多次參與，效率很低。
DMA 工作原理
DMA（直接內(nèi)存訪問，Direct Memory Access）。
用戶進程通過read等系統(tǒng)調(diào)用接口向操作系統(tǒng)（即CPU）發(fā)出IO請求，請求讀取數(shù)據(jù)到自己的用戶內(nèi)存緩沖區(qū)中，然后該進程進入阻塞狀態(tài)。
操作系統(tǒng)收到用戶進程的請求后，進一步將IO請求發(fā)送給DMA，然后CPU就可以去干別的事了。
DMA將IO請求轉(zhuǎn)發(fā)給磁盤。
磁盤驅(qū)動器收到內(nèi)核的IO請求后，把數(shù)據(jù)讀取到自己的緩沖區(qū)中，當磁盤的緩沖區(qū)被讀滿后，向DMA發(fā)起中斷信號告知自己緩沖區(qū)已滿。
DMA收到磁盤驅(qū)動器的信號，將磁盤緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)copy到內(nèi)核緩沖區(qū)中，此時不占用CPU（ PIO 這里是占用CPU的）。
如果內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)少于用戶申請讀的數(shù)據(jù)，則重復(fù)步驟3、4、5，直到內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)符合用戶的要求為止。
內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)已經(jīng)符合用戶的要求，DMA停止向磁盤發(fā)IO請求。
DMA發(fā)送中斷信號給CPU。
CPU收到DMA的信號，知道數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，于是將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間copy到用戶空間，系統(tǒng)調(diào)用返回。
用戶進程讀取到數(shù)據(jù)后繼續(xù)執(zhí)行原來的任務(wù)。
跟PIO模式相比，DMA就是CPU的一個代理，它負責了一部分的拷貝工作，從而減輕了CPU的負擔。
需要注意的是，DMA承擔的工作是從磁盤的緩沖區(qū)到內(nèi)核緩沖區(qū)或網(wǎng)卡設(shè)備到內(nèi)核的 soket buffer的拷貝工作，以及內(nèi)核緩沖區(qū)到磁盤緩沖區(qū)或內(nèi)核的 soket buffer 到網(wǎng)卡設(shè)備的拷貝工作，而內(nèi)核緩沖區(qū)到用戶緩沖區(qū)之間的拷貝工作仍然由CPU負責。
可以肯定的是，PIO模式的計算機我們現(xiàn)在已經(jīng)很少見到了。
緩沖IO和直接IO
學習用戶空間和內(nèi)核空間的時候我們也說了，用戶空間是不能直接訪問內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)的，如果需要訪問怎么辦？很簡單，就需要將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝的用戶空間。
緩沖 IO：其實就是磁盤中的數(shù)據(jù)通過 DMA 先拷貝到內(nèi)核空間，然后再從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間。
直接 IO：磁盤中的數(shù)據(jù)直接通過 DMA 拷貝到用戶空間。
緩沖 IO
緩沖 IO 也被成為標準 IO，大多數(shù)的文件系統(tǒng)系統(tǒng)默認都是以緩沖 IO 的方式來工作的。在Linux的緩沖I/O機制中，數(shù)據(jù)先從磁盤復(fù)制到內(nèi)核空間的緩沖區(qū)，然后從內(nèi)核空間緩沖區(qū)復(fù)制到應(yīng)用程序的地址空間。
接下來我們看看緩沖 IO 下讀寫操作是如何進行？
讀操作：
操作系統(tǒng)檢查內(nèi)核的緩沖區(qū)有沒有需要的數(shù)據(jù)，如果已經(jīng)緩沖了，那么就直接從緩沖中返回；否則從磁盤中讀取到內(nèi)核緩沖中，然后再復(fù)制到用戶空間緩沖中。
寫操作：
將數(shù)據(jù)從用戶空間復(fù)制到內(nèi)核空間的緩沖中。這時對用戶程序來說寫操作就已經(jīng)完成，至于什么時候再寫到磁盤中由操作系統(tǒng)決定，除非顯示地調(diào)用了sync同步命令。
緩沖I/O的優(yōu)點：
在一定程度上分離了內(nèi)核空間和用戶空間，保護系統(tǒng)本身的運行安全；
因為內(nèi)核中有緩沖，可以減少讀盤的次數(shù)，從而提高性能。
緩沖I/O的缺點：
在緩沖 I/O 機制中，DMA 方式可以將數(shù)據(jù)直接從磁盤讀到內(nèi)核空間頁緩沖中，或者將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間頁緩沖直接寫回到磁盤上，而不能直接在用戶地址空間和磁盤之間進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣數(shù)據(jù)在傳輸過程中需要在應(yīng)用程序地址空間（用戶空間）和內(nèi)核緩沖（內(nèi)核空間）之間進行多次數(shù)據(jù)拷貝操作，這些數(shù)據(jù)拷貝操作所帶來的CPU以及內(nèi)存開銷是非常大的。
直接IO
顧名思義，直接IO就是應(yīng)用程序直接訪問磁盤數(shù)據(jù)，而不經(jīng)過內(nèi)核緩沖區(qū)，也就是繞過內(nèi)核緩沖區(qū),自己管理I/O緩沖區(qū)，這樣做的目的是減少一次從內(nèi)核緩沖區(qū)到用戶程序緩沖的數(shù)據(jù)復(fù)制。
引入內(nèi)核緩沖區(qū)這個主要是為了提升從磁盤讀寫數(shù)據(jù)文件的性能，這也是很多系統(tǒng)優(yōu)化中常見的手段，多一層緩存可以有效減少很多磁盤 IO 操作；而當用戶程序需要向磁盤文件中寫入數(shù)據(jù)時，實際上只需要寫入到內(nèi)核緩沖區(qū)便可以返回了，而真正的落盤是有一定的延遲策略的，但這無疑提升了應(yīng)用程序?qū)懭胛募捻憫?yīng)速度。
在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)這類應(yīng)用中，它們更傾向于選擇自己實現(xiàn)的緩存機制，因為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)往往比操作系統(tǒng)更了解數(shù)據(jù)庫中存放的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可以提供一種更加有效的緩存機制來提高數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存取性能。
直接I/O的優(yōu)點：
應(yīng)用程序直接訪問磁盤數(shù)據(jù)，不經(jīng)過操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣做的最直觀目的是減少一次從內(nèi)核緩沖區(qū)到用戶程序緩沖的數(shù)據(jù)復(fù)制。這種方式通常用在數(shù)據(jù)庫、消息中間件中，由應(yīng)用程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存管理。
直接I/O的缺點：
如果訪問的數(shù)據(jù)不在應(yīng)用程序緩沖中，那么每次數(shù)據(jù)都會直接從磁盤進行加載，這種直接加載會非常緩慢。通常 直接I/O 跟 異步I/O 結(jié)合使用會得到較好的性能。（異步IO：當訪問數(shù)據(jù)的線程發(fā)出請求之后，線程會接著去處理其他事，而不是阻塞等待）
IO 訪問方式
我們常說的 IO 操作，不僅僅是磁盤 IO，還有常見的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸即網(wǎng)絡(luò) IO。
磁盤 IO
讀操作：
當應(yīng)用程序調(diào)用read()方法時，操作系統(tǒng)檢查內(nèi)核高速緩沖區(qū)中是否存在需要的數(shù)據(jù)，如果存在，那么就直接把內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)copy到用戶空間，供用戶的應(yīng)用程序使用。如果內(nèi)核緩沖區(qū)沒有需要的數(shù)據(jù)，通過通過DMA方式從磁盤中讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)核緩沖區(qū)，然后由CPU控制，把內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)copy到用戶空間。
這個過程會涉及到兩次緩沖區(qū)copy，第一次是從磁盤到內(nèi)核緩沖區(qū)，第二次是從內(nèi)核緩沖區(qū)到用戶緩沖區(qū)，第一次是DMA的copy，第二次是CPU的copy。
寫操作：
當應(yīng)用程序調(diào)用write()方法時，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)從用戶空間copy到內(nèi)核空間的緩沖區(qū)中（如果用戶空間沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則需要從磁盤—>內(nèi)核緩沖區(qū)—>用戶緩沖區(qū)），這時對用戶程序來說寫操作就已經(jīng)完成，至于什么時候把數(shù)據(jù)再寫到磁盤（從內(nèi)核緩沖區(qū)到磁盤的寫操作也由DMA控制，不需要cpu參與），由操作系統(tǒng)決定。除非應(yīng)用程序顯示地調(diào)用了sync命令，立即把數(shù)據(jù)寫入磁盤。
如果應(yīng)用程序沒準備好寫的數(shù)據(jù)，則必須先從磁盤讀取數(shù)據(jù)才能執(zhí)行寫操作，這時會涉及到四次緩沖區(qū)的copy，第一次是從磁盤的緩沖區(qū)到內(nèi)核緩沖區(qū)，第二次是從內(nèi)核緩沖區(qū)到用戶緩沖區(qū)，第三次是從用戶緩沖區(qū)到內(nèi)核緩沖區(qū)，第四次是從內(nèi)核緩沖區(qū)寫回到磁盤。前兩次是為了讀，后兩次是為了寫。這其中有兩次?CPU?拷貝，兩次DMA拷貝。
磁盤IO的延時：
為了讀或?qū)?，磁頭必須能移動到所指定的磁道上，并等待所指定的扇區(qū)的開始位置旋轉(zhuǎn)到磁頭下，然后再開始讀或?qū)憯?shù)據(jù)。磁盤IO的延時分成以下三部分：
尋道時間：把磁頭移動到指定磁道上所經(jīng)歷的時間；
旋轉(zhuǎn)延遲時間?：指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經(jīng)歷的時間；
傳輸時間?：數(shù)據(jù)的傳輸時間（數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭氲臅r間）；
網(wǎng)絡(luò) IO
讀操作：
網(wǎng)絡(luò) IO 既可以從物理磁盤中讀數(shù)據(jù)，也可以從Socket中讀數(shù)據(jù)（從網(wǎng)卡中獲?。．攺奈锢泶疟P中讀數(shù)據(jù)的時候，其流程和磁盤IO的讀操作一樣。當從Socket中讀數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序需要等待客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，如果客戶端還沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，對應(yīng)的應(yīng)用程序?qū)蛔枞钡娇蛻舳税l(fā)送了數(shù)據(jù)，該應(yīng)用程序才會被喚醒，從Socket協(xié)議棧（網(wǎng)卡）中讀取客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間（這個過程也由DMA控制），然后把內(nèi)核空間的數(shù)據(jù) copy 到用戶空間，供應(yīng)用程序使用。
寫操作：
為了簡化描述，我們假設(shè)網(wǎng)絡(luò)IO的數(shù)據(jù)從磁盤中獲取，讀寫操作的流程如下：
當應(yīng)用程序調(diào)用read()方法時，通過DMA方式將數(shù)據(jù)從磁盤拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)；
由cpu控制，將內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間的緩沖區(qū)中，供應(yīng)用程序使用；
當應(yīng)用程序調(diào)用 write() 方法時，CPU 會把用戶緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù) copy 到內(nèi)核緩沖區(qū)的 Socket Buffer 中；
最后通過DMA方式將內(nèi)核空間中的Socket Buffer拷貝到Socket協(xié)議棧（即網(wǎng)卡設(shè)備）中傳輸；
網(wǎng)絡(luò)IO?的寫操作也有四次緩沖區(qū)的copy，第一次是從磁盤緩沖區(qū)到內(nèi)核緩沖區(qū)（由DMA控制），第二次是內(nèi)核緩沖區(qū)到用戶緩沖區(qū)（CPU控制），第三次是用戶緩沖區(qū)到內(nèi)核緩沖區(qū)的 Socket Buffer（由CPU控制），第四次是從內(nèi)核緩沖區(qū)的 Socket Buffer 到網(wǎng)卡設(shè)備（由DMA控制）。四次緩沖區(qū)的copy工作兩次由CPU控制，兩次由DMA控制。
網(wǎng)絡(luò)IO的延時:
網(wǎng)絡(luò)IO主要延時是由：服務(wù)器響應(yīng)延時+帶寬限制+網(wǎng)絡(luò)延時+跳轉(zhuǎn)路由延時+本地接收延時?決定。一般為幾十到幾千毫秒，受環(huán)境影響較大。所以，一般來說，網(wǎng)絡(luò)IO延時要大于磁盤IO延時(不過同數(shù)據(jù)中心的交互除外，會比磁盤 IO 更快)。
零拷貝 IO
在上述IO中，一次讀寫操作要經(jīng)過四次緩沖區(qū)的拷貝，并經(jīng)歷了四次內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的切換。?零拷貝（zero copy）IO?技術(shù)減少不必要的內(nèi)核緩沖區(qū)跟用戶緩沖區(qū)之間的拷貝，從而減少CPU的開銷和狀態(tài)切換帶來的開銷，達到性能的提升。
我們還是對比上面不使用零拷貝時的網(wǎng)絡(luò) IO 傳輸過程來對比分析下：
和上圖普通的網(wǎng)絡(luò) IO 傳輸過程對比，零拷貝的傳輸過程：硬盤 -> kernel buffer (快速拷貝到kernel socket buffer) -> Socket協(xié)議棧（網(wǎng)卡設(shè)備中）。
當應(yīng)用程序調(diào)用read()方法時，通過DMA方式將數(shù)據(jù)從磁盤拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)；
由CPU控制，將內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)直接拷貝到另外一個與 Socket 相關(guān)的內(nèi)核緩沖區(qū)，即kernel socket buffer；
然后由 DMA 把數(shù)據(jù)從 kernel socket buffer 直接拷貝給 Socket 協(xié)議棧（網(wǎng)卡設(shè)備中）；
這里，只經(jīng)歷了三次緩沖區(qū)的拷貝，第一次是從磁盤緩沖區(qū)到內(nèi)核緩沖區(qū)，第二次是從內(nèi)核緩沖區(qū)到 kernel socket buffer，第三次是從 kernel socket buffer 到Socket 協(xié)議棧（網(wǎng)卡設(shè)備中）。只發(fā)生兩次內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的切換，第一次是當應(yīng)用程序調(diào)用read方法時，用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)執(zhí)行read系統(tǒng)調(diào)用，第二次是將數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送出去后系統(tǒng)調(diào)用返回，從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)。
零拷貝（zero copy）的應(yīng)用：
Linux 下提供了zero copy的接口：sendfile和splice，用戶可通過這兩個接口實現(xiàn)零拷貝傳輸；
Nginx 可以通過sendfile配置開啟零拷貝；
在 Linux 系統(tǒng)中，Java NIO中 FileChannel.transferTo 的實現(xiàn)依賴于 sendfile()調(diào)用；
Apache 使用了 sendfile64() 來傳送文件，sendfile64() 是 sendfile() 的擴展實現(xiàn)；
Kafka也用到了零拷貝的功能；
注意：零拷貝要求輸入的fd必須是文件句柄，不能是socket，輸出的fd必須是socket，也就是說，數(shù)據(jù)的來源必須是從本地的磁盤，而不能是從網(wǎng)絡(luò)中，如果數(shù)據(jù)來源于socket，就不能使用零拷貝功能了。我們看一下sendfile接口就知道了：
#include <sys/sendfile.h>ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count)
out_fd：待寫入文件描述符;
in_fd：待讀出文件描述符;
offset：從讀入文件流的哪個位置開始讀，如果為空，則默認從起始位置開始；
count：指定在文件描述符in_fd 和out_fd之間傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)；
返回值：成功時，返回出傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，失敗返回-1；
in_fd 必須指向真實的文件，不能是socket和管道；而out_fd則必須是一個socket。由此可見，sendfile?幾乎是專門為在網(wǎng)絡(luò)上傳輸文件而設(shè)計的。
在Linxu系統(tǒng)中，一切皆文件，因此socket也是一個文件，也有文件句柄（或文件描述符）。
同步&異步、阻塞&非阻塞
這兩組概念，我接觸編程以來，經(jīng)過聽到別人說服務(wù)端是?同步非阻塞模型?或者?異步阻塞的 IO 模型，也前后了解過幾次，但是理解都不夠透徹，特別是這個非阻塞和異步、同步和阻塞的概念很容易懵逼，每個人的說法都不一樣，最近我耐心看了幾篇文章，這次我感覺我是頓悟了，這里分享下我的理解：
同步和異步是針對應(yīng)用程序向內(nèi)核發(fā)起任務(wù)后的狀態(tài)而言的：如果發(fā)起調(diào)用后，在沒有得到結(jié)果之前，當前調(diào)用就不返回，不能接著做后面的事情，一直等待就是同步。異步就是發(fā)出調(diào)用后，雖然不能立即得到結(jié)果，但是可以繼續(xù)執(zhí)行后面的事情，等調(diào)用結(jié)果出來時，會通過狀態(tài)、通知和回調(diào)來通知調(diào)用者。
舉個例子加深下理解：
在互聯(lián)網(wǎng)普及之前，我們?nèi)メt(yī)院看病都是排隊的模式，想看病就得排隊等，直到輪到你，在此之前你必須一直排隊等待，這個就是同步；
現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)普及了，都是直接大屏叫號，我們預(yù)約登記后，就可以去休息廳坐著，打游戲啥的都可以干，到自己看病的時候會有通知的，這就是異步；
阻塞blocking、非阻塞non-blocking，則聚焦的是CPU在等待結(jié)果的過程中的狀態(tài)。
阻塞調(diào)用是指調(diào)用結(jié)果返回之前，當前線程會被掛起，只有在得到結(jié)果之后才會返回。你可能會把阻塞調(diào)用和同步調(diào)用等同起來，實際上它們是不同的，同步只是說必須等到出結(jié)果才可以返回，但是等的過程中線程可以是激活的，阻塞是說線程被掛起了。
非阻塞和阻塞的概念相對應(yīng)，指在不能立刻得到結(jié)果之前，該函數(shù)不會阻塞當前線程，而會立刻返回。
比如前面的例子，排隊的過程中什么也不能做就是阻塞，CPU 執(zhí)行權(quán)是交出去的；一邊排隊，一邊看手機就是非阻塞，CPU 執(zhí)行權(quán)還在自己手里，但是沒看完病之前依舊是在排隊死等，所以還是同步的。
總結(jié)
通過今天的學習，我們掌握了什么是 IO、常見的 IO 操作類型以及對應(yīng)操作的原理，還有非常重要但是卻很容易搞混的同步&異步、阻塞&非阻塞之間的區(qū)別，講解的應(yīng)該還是比較清楚的。
本文內(nèi)容還是比較簡單的，是一些基礎(chǔ)知識，但是如果想深入學習網(wǎng)絡(luò)編程這些基礎(chǔ)是繞不開的，了解了操作系統(tǒng)對于 IO 操作的優(yōu)化，才能搞明白各種高性能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的原理。
