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一、I/O的相关概念

news 来源：原创 2025/4/28 5:38:31

I/O的相关概念

1、I/O

I/O即Input和Output，用户进程执行I/O操作，归结起来，也就是向操作系统发出请求，读请求就把数据填到缓冲区里，写数据就把缓冲区里数据排干，目的地可以是磁盘也可以是其他通道。进程通过这种方式处理所有数据的读写。
I/O可以分为广义的两大类别：File I/O和Stream I/O。
所以了解缓冲区，以及缓冲区如何工作，是所有I/O的基础。

2、缓冲区

缓冲区可以被看作是一块真实物理内存中的区域，用于临时存储数据。
读取时数据先进入缓冲区，写入时数据先从缓冲区发出。它能减少频繁的磁盘操作，提高效率。
因为直接操作内存比操作磁盘要快的多。

3、用户空间、内核空间、磁盘

下图是用户进程读磁盘数据的流程。
在这里插入图片描述
可以看到数据要先被读取到内核空间缓冲区、再复制到用户空间缓冲区这样程序才能看得到数据。

把数据从内核空间拷贝到用户空间似乎有些多余。为什么不直接让磁盘控制器把数据送到用户空间的缓冲区呢？
这样做有几个问题。
首先，硬件通常不能直接访问用户空间。
其次，像磁盘这样基于块存储的硬件设备操作的是固定大小的数据块，而用户进程请求的可能是任意大小的字节或非对齐的数据块。
在数据往来于用户空间与存储设备的过程中，内核负责数据的分解、再组合工作，因此充当着中间人的角色。

操作系统为什么要分为用户空间和内核空间？

主要是为了安全性、稳定性和效率。
用户空间（User Space）：程序员写的应用程序运行的空间，比如我们写的 Java、Python、C 程序。
内核空间（Kernel Space）：操作系统的核心部分（内核）运行的空间，包括内存管理、文件系统、网络协议、硬件控制等功能。

举个例子：
如果不分开，任何程序都能访问内核资源，那系统崩溃或被攻击就太容易了。
用户程序不能直接操作硬件，只能通过系统调用让内核代为处理。如果不加限制，一个有 bug 或恶意的程序可能会改乱内存、读写设备、破坏系统。

4、虚拟内存

虚拟内存要和物理内存的swap交换空间区分开。

概念	本质	位置	作用
虚拟内存（Virtual Memory）	一种地址映射机制（虚拟地址 → 物理地址）	CPU 看到的是虚拟地址	把程序运行时看到的内存空间抽象成一个连续的大空间
Swap（交换空间）	硬盘上的一块区域	磁盘	当物理内存不够用时，把一部分内存内容临时“换出去”

虚拟内存可以大致理解为是给程序看的大块连续地址空间（假的，操作系统管理的）。

所有现代操作系统都使用虚拟内存。
虚拟内存意为使用虚假（或虚拟）地址取代物理（硬件RAM）内存地址。
这样做好处颇多，总结起来可分为两大类：
1.一个以上的虚拟地址可指向同一个物理内存地址。
2.虚拟内存空间可大于实际可用的硬件内存。

上面图片中读取流程、设备控制器不能通过DMA直接存储到用户空间，但通过利用多个虚拟地址映射同一个物理地址，则可以达到相同效果。把内核空间地址与用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样，DMA硬件（只能访问物理内存地址）就可以填充对内核与用户空间进程同时可见的缓冲区

5、分页技术

分页（paging）是一种虚拟内存的实现机制。它的核心含义是：
将虚拟地址空间划分成固定大小的“页”（page），而物理内存同样划分为“页框”（page frame），通过页表把虚拟页映射到物理页框。
换句话说：分页是一种地址映射策略。

虚拟内存 = 看起来比你实际内存多得多的“假内存”。
但你电脑真的只有 8G 内存怎么办？装不下了！
当物理内存不够用时，操作系统会将某些不活跃的页临时存放到磁盘中（swap），等需要时再调回，这个过程叫做页置换（page replacement），是基于分页机制实现的。

6、文件I/O和流I/O

特性	文件 I/O	流 I/O
操作对象	文件	任意数据流（文件、网络、内存、管道）
访问方式	支持随机访问（seek）	只能顺序访问
抽象层次	底层字节块操作	高层数据抽象（可以处理字符、对象）
使用场景	本地文件操作	更广泛：网络、IO管道、系统输入输出等