关于I/O——内存与CPU与磁盘之间的关系

关于I/O

一句话概括什么是I/O:简单的数据Copy。内存与外部设备之间的copy就是I/O(input/output)

I/O与CPU
通常CPU速度：纳秒级别(指令执行速度)
通常I/O速度：毫秒级别(磁盘的一次seek)
速度差异上千倍，需要解决如何匹配I/O和CPU速度、调度CPU等。

假设你是一个急性子(CPU)，需要等待一个重要的文件，不巧的是这个文件只能快递过来(I/O)，那么这时你是选择什么事情都不干了，深情的的注视着门口就像盼望着你的哈尼一样专心等待这个快递呢？还是暂时先不要管快递了，玩个游戏看个电影刷会儿短视频等快递来了再说呢？很显然，更好的方法就是先去干其它事情，快递来了再说。

因此这里的关键点就是手头上的事情可以先暂停，切换到其它任务，等快递过来了再切换回来。

执行I/O时底层都发生了什么

1.关于Block：

上图内存中有两个进程，进程A和进程B，当前进程A正在运行，进程A中有一段读取文件的代码，不管在什么语言中通常都会自定义一个用来装数据的buffer，然后调用read之类的函数，像这样：

read(buff);

这就是一种典型的I/O操作，当CPU执行到这段代码的时候会向磁盘发送读取请求，注意与CPU执行指令的速度相比，I/O操作操作是非常慢的，因此操作系统是不可能把宝贵的计算资料浪费在无谓的等待上的，这时由于外部设备执行I/O操作是相当慢的，因此在I/O操作完成之前进程是无法继续向前推进的，这就是所谓的阻塞，即通常所说的block。操作系统检测到进程向I/O设备发起请求后就暂停进程的运行，需要记录下当前进程的运行状态并把CPU的PC寄存器指向其它进程的指令。

2.关于I/O的阻塞队列和就绪队列：

进程有暂停就会有继续执行，因此操作系统必须保存被暂停的进程以备后续继续执行，显然我们可以用队列来保存被暂停执行的进程，如图所示，进程A被暂停执行并被放到阻塞队列中(注意，不同的操作系统会有不同的实现，可能每个I/O设备都有一个对应的阻塞队列，但这种实现细节上的差异不影响我们的讨论)。

磁盘相当于在异步读取，而次数将读取结束回调放入I/O队列，CPU又去干其他事情了。

实际上操作系统中除了有阻塞队列之外也有就绪队列，所谓就绪队列是指队列里的进程准备就绪可以被CPU执行了，你可能会问为什么不直接执行非要有个就绪队列呢？答案很简单，那就是僧多粥少，在只有2个核的机器上可以创建出成千上万个进程，CPU不可能同时执行这么多的进程，因此必然存在这样的进程，即使其一切准备就绪也不能被分配到计算资源，这样的进程就被放到了就绪队列。现在进程B就位于就绪队列，万事俱备只欠CPU，如图所示：

注意观察上图，此时进程B在被CPU执行，磁盘在向进程A的内存空间中copy数据，数据copy和指令执行在同时进行，在操作系统的调度下CPU、磁盘都得到了充分的利用，这就是程序员的智慧所在。

3.中断

此后磁盘终于将全部数据都copy到了进程A的内存中，这时磁盘通知操作系统任务完成，这就是中断。

操作系统接收到磁盘中断后发现数据copy完毕，进程A重新获得继续运行的资格，这时操作系统小心翼翼的把进程A从阻塞队列放到了就绪队列当中，如图所示：

注意，操作系统是不会直接运行进程A的，进程A必须被放到就绪队列中等待，这样对大家都公平。此后进程B继续执行，进程A继续等待，进程B执行了一会儿后操作系统认为进程B执行的时间够长了，因此把进程B放到就绪队列，并把进程A取出继续执行。注意操作系统把进程B放到的是就绪队列，因此进程B被暂停运行仅仅是因为时间片到了而不是因为发起I/O请求被阻塞，如图所示：

进程A继续执行，此时buff中已经装满了想要的数据，进程A就这样愉快的运行下去了，就好像从来没有被暂停过一样，进程对于自己被暂停一事一无所知，这就是操作系统的魔法。

零拷贝：
绕过操作系统，直接进行数据拷贝叫做零拷贝。

实际上一般情况下I/O数据是要首先copy到操作系统内部，然后操作系统再copy到进程空间中

摘自计算机底层的秘密——小风，公众号：码农的荒岛求生

这本书写的很通俗易懂，类似于大话设计模式的文风，幽默风趣，图文并茂，浅显易懂，比课本上文绉绉的文字描述和干瘪的代码好太多。