操作系统的IO

应用程序需要通过操作系统才能执行一些特殊操作，比如磁盘文件读写，内存读写等。因为这些都是比较危险的操作，不能让应用程序操作，应用程序只能通过调用操作系统开放出来的API才能执行。

什么是用户空间？什么是内核空间？
以32位操作系统为例，它为每个进程都分配了4G(2的32次方)的内存空间。这4G可访问的内存空间分为两部分：用户空间和内核空间。内核空间是操作系统内核访问的空间，是受保护的内存空间。用户空间是用户程序访问的内存空间。

用户程序是跑在用户空间中的，不存在实质的IO过程，真正的IO是在操作系统执行的。就是说，应用程序的IO操作分为两个动作：IO调用和IO执行。 IO调用是进程(应用程序的运行态)发起的，而IO执行是操作系统的工作。

操作系统的一次IO过程

应用程序发起的一次IO操作包括两个动作：

操作系统完成IO操作还包括两个过程：

因此，一次完整的IO操作过程如下：

假设应用程序发起IO调用，内核的数据还没准备好，那么用户程序进程就会一直阻塞到内核准备好数据，从内核拷贝到用户空间，才返回成功提示。这就是阻塞IO。

阻塞IO流程图.png

阻塞IO的缺点就是：如果内核数据一直没有准备好，那么用户进程将一直阻塞，这会浪费性能。

如果内核数据没有准备好，那么先返回错误信息给用户线程。用户线程通过轮询的方式来检查数据是否准备完毕。这就是非阻塞IO。

相对于阻塞IO来说，非阻塞IO虽然提升了性能，但是用户线程频繁进行系统调用，还是会占用大量的CPU资源。

非阻塞IO模型流程图.png

非阻塞IO的流程：

什么是文件描述符fd(File Descriptor)？

文件描述符是计算机科学的一个术语，形式上是一个非负整数。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。

IO多路复用模型思路：操作系统提供一类程序(如select、poll、epoll)，它们可以同时监控多个fd。任意一个返回内核数据准备就绪，应用进程发起recvfrom系统调用。

信号驱动IO不使用主动询问的方式来确认数据是否就绪，而是向内核发送一个信号(调用sigaction的时候建立一个SIGIO 的信号)，然后应用程序可以去做其他的事。内核准备好数据之后，会通过SIGIO信号通知应用程序数据准备就绪。应用程序接收到信号后，立即调用recvfrom去读取数据。

信号驱动IO模型流程图.png

前面的BIO、NIO还是信号驱动IO，数据从内核拷贝到用户空间的时候，进程都是阻塞的，因此都不是异步IO。

AIO实现了全流程的非阻塞，就是应用程序发出系统调用后，是立刻返回的，但是返回的不是结果，而是表示提交成功类似的意思。等内核数据准备好，将数据拷贝到用户空间后，就会发出信号通知用户进程IO操作执行完成。

异步IO流程图.png