高性能IO底层原理
IO读写的基础原理
? 用户程序进行IO的读写，依赖于底层的IO读写。都会用到read&write两大系统调用，不通操作系统中，IO读写系统调用的名称可能不完全相同，功能基本一致。在用户程序中，无论是Socket的IO还是文件IO操作都属于上层应用开发。
? read系统调用：并不是直接从物理设备把数据读取到内存中，是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区
? write系统调用：也不是直接把数据写入到物理设备，是把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区
即上层应用无论是调用操作系统的read还是调用操作系统的write，都会涉及到缓冲区。
上层应用的IO操作，实际上不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制。
read&write两大系统调用，都不负责数据在内核缓冲区和磁盘之间的交换。底层的读写交换是由操作系统内核来完成的。
内核缓冲区与进程缓冲区
? 缓冲区的目的是为了减少频繁与设备之间的物理交换。设备的直接读写，涉及操作系统的中断。
当发生系统中断时，需要保存之前的进程数据和状态等信息，而结束中断之后，还需要恢复之前的进程数据和状态等信息。为了减少这种底层系统的时间损耗，性能损耗，就出行了内存缓冲区。
? 有了内存缓冲区后，上层应用使用read系统调用时，仅仅是把数据从内核缓冲区复制到上层应用的缓冲区（进程缓冲区）；上层应用使用write系统调用时，只需要把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区。底层操作会对内核缓冲区进行监控，等待缓冲区达到一定数量时，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，这种机制提示了系统的性能。以至于什么时候中断（读中断，写中断），由操作系统的内核决定，用户程序不需要关心。
? 从数量上来说，Linux系统中，操作系统内核只有一个内核缓冲区。
每个用户程序（进程），有自己的缓冲区，叫做进程缓冲区。
所以用户程序的IO读写程序，在大多数情况下，没有进行实际的IO操作，而是在进程缓冲区和内核缓冲区直接之间进行的数据交换。
典型的系统调用流程
? 图示 系统调用read&write流程
? 例如read系统调用的输入流程
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等待数据就绪
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从内核向进程复制数据。
如果read是一个socket。那么具体流程为：
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等待数据从网络中到达网卡，当等待的分组到达时，数据会被复制到内核中的某个缓冲区。
（这个操作有操作系统完成，用户程序无感知）
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把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区
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? 从客户端和服务器端的角度来理解，即一次socket的请求和响应如下
- 客户端请求: linux通过网卡读取到客户端的请求数据，将数据读取到内核缓冲区
- 服务器端获取请求数据：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
- 服务器端业务处理：Java进程在自己的用户空间处理客户端的请求
- 服务器端返回数据：Java进程处理完成，构建好响应数据。通过write系统调用。将这些数据从用户缓存区写入内核缓冲区
- 发送至客户端：linux内核通过网络IO，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，会将数据发送给目标客户端。
