操作系统之I/O

一、什么是IO

IO就是数据的输入输出，如果数据从外部设备输入到内存中就是Input，反之从内存到外部设备就是Output；外部设备包括：文件系统、网卡、屏幕.....

 二、传统的IO流程

•  用户程序发起read()系统调用
• CPU 发出对应的指令给磁盘控制器，然后返回；
• 磁盘控制器收到指令后，于是就开始准备数据，会把数据放入到磁盘控制器的内部缓冲区中，然后产生一个中断信号；
• CPU 收到中断信号后，停下手头的工作，接着把磁盘控制器的缓冲区的数据一次一个字节地读进自己的寄存器，然后再把寄存器里的数据写入到内存，

由此我们发现整个读数据的过程，发生两次系统调用，并且CPU整个处于阻塞状态；实际上在磁盘控制器读取数据到发送中断信号的过程中，cpu是没有任何需要参与的。显然这种IO方式没有很好的利用CPU资源，并且用户态与内核太在进行多次切换。

三、直接内存访问（Direct Memory Access）

DMA（Direct Memory Access）控制器是一种在系统内部转移数据的独特外设，可以将其视为一种能够通过一组专用总线将内部和外部存储器与每个具有DMA能力的外设连接起来的控制器

• 用户进程调用 read 方法，向操作系统发出 I/O 请求，请求读取数据到自己的内存缓冲区中，进程进入阻塞状态；
• 操作系统收到请求后，进一步将 I/O 请求发送 DMA，然后让 CPU 执行其他任务；
• DMA 进一步将 I/O 请求发送给磁盘；
• 磁盘收到 DMA 的 I/O 请求，把数据从磁盘读取到磁盘控制器的缓冲区中，当磁盘控制器的缓冲区被读满后，向 DMA 发起中断信号，告知自己缓冲区已满；
• DMA 收到磁盘的信号，将磁盘控制器缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区中，此时不占用 CPU，CPU 可以执行其他任务；
• 当 DMA 读取了足够多的数据，就会发送中断信号给 CPU；
• CPU 收到 DMA 的信号，知道数据已经准备好，于是将数据从内核拷贝到用户空间，系统调用返回；

由此我们发现CPU在整个过程中已经不在参与与磁盘的数据copy工作了，但是数据的copy工作依然发生了多次，并且用户态与内核态的切换工作依然是两次，如果要提高数据的传输速度，就需要从这两方面入手。

四、零拷贝

读取磁盘数据的时候，之所以要发生上下文切换，这是因为用户空间没有权限操作磁盘或网卡，内核的权限最高，这些操作设备的过程都需要交由操作系统内核来完成，所以一般要通过内核去完成某些任务的时候，就需要使用操作系统提供的系统调用函数。而一次系统调用必然会发生 2 次上下文切换：首先从用户态切换到内核态，当内核执行完任务后，再切换回用户态交由进程代码执行。所以，要想减少上下文切换到次数，就要减少系统调用的次数。

mmap() ：该系统调用函数会直接把内核缓冲区里的数据映射到用户空间，这样，操作系统内核与用户空间就不需要再进行任何的数据拷贝操作。

场景：读取磁盘上的数据，然后发送至网络中（mmap + write）

• 应用进程调用了 mmap() 后，DMA 会把磁盘的数据拷贝到内核的缓冲区里。接着，应用进程跟操作系统内核共享这个缓冲区；
• 应用进程再调用 write()，操作系统直接将内核缓冲区的数据拷贝到 socket 缓冲区中，这一切都发生在内核态，由 CPU 来搬运数据；
• 最后，把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程是由 DMA 搬运的。

由图我们可以看出使用mmap( )函数相较于read( )，减少了一次数据copy的次数，因为他的内核缓冲区与用户缓冲区是同一个共享缓冲区。但是在调用write( )发送数据时，仍然需要通过 CPU 把内核缓冲区的数据拷贝到 socket 缓冲区里，而且仍然需要 4 次上下文切换，因为系统调用还是 2 次。

sendfile：在 Linux 内核版本 2.1 中，提供了一个专门发送文件的系统调用函数 sendfile()，函数形式如下：

ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

它可以替代前面的 read() 和 write() 这两个系统调用，这样就可以减少一次系统调用，也就减少了 2 次上下文切换的开销。其次，该系统调用，可以直接把内核缓冲区里的数据拷贝到 socket 缓冲区里，不再拷贝到用户态，这样就只有 2 次上下文切换，和 3 次数据拷贝。

 网卡支持 SG-DMA（The Scatter-Gather Direct Memory Access）技术（和普通的 DMA 有所不同），我们可以进一步减少通过 CPU 把内核缓冲区里的数据拷贝到 socket 缓冲区的过程，真正的实现零拷贝（Zero-copy）技术。

• 通过 DMA 将磁盘上的数据拷贝到内核缓冲区里；
• 缓冲区描述符和数据长度传到 socket 缓冲区，这样网卡的 SG-DMA 控制器就可以直接将内核缓存中的数据拷贝到网卡的缓冲区里，此过程不需要将数据从操作系统内核缓冲区拷贝到 socket 缓冲区中，这样就减少了一次数据拷贝；

零拷贝技术的文件传输方式相比传统文件传输的方式，减少了 2 次上下文切换和数据拷贝次数，只需要 2 次上下文切换和数据拷贝次数，就可以完成文件的传输，而且 2 次的数据拷贝过程，都不需要通过 CPU，2 次都是由 DMA 来搬运。

五、PageCache 

根据局部性原理，所以通常，刚被访问的数据在短时间内再次被访问的概率很高，于是我们可以用 PageCache 来缓存最近被访问的数据，当空间不足时淘汰最久未被访问的缓存。所以，读磁盘数据的时候，优先在 PageCache 找，如果数据存在则可以直接返回；如果没有，则从磁盘中读取，然后缓存 PageCache 中。

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