计算机读取文件时，程序经历了什么？
2020-09-16 21:18
你有没有想过当我们执行I/O操作时计算机底层都发生了些什么？
在回答这个问题之前，我们先来看下为什么对于计算机来说I/O是极其重要的。
不能执行I/O的计算机是什么？
相信对于程序员来说I/O操作是最为熟悉不过的了：
当我们使用C语言中的printf、C++中的"<<"，Python中的print，Java中的System.out.println等时，这是I/O；当我们使用各种语言读写文件时，这也是I/O；当我们通过TCP/IP进行网络通信时，这同样是I/O;当我们使用鼠标龙飞凤舞时，当我们扛起键盘在评论区里指点江山亦或是埋头苦干努力制造bug时、当我们能看到屏幕上的漂亮的图形界面时等等，这一切都是I/O。
想一想，如果没有I/O计算机该是一种多么枯燥的设备，不能看电影、不能玩游戏，也不能上网，这样的计算机最多就是一个大号的计算器。
既然I/O这么重要，那么到底什么才是I/O呢？
什么是I/O
I/O就是简单的数据Copy，仅此而已。
这一点很重要，为了加深大家的印象，来，Everybody，Follow me，那边树上的朋友，还有那边墙上的朋友们，举起你们的双手，跟我唱，苍茫的天涯是。。。Sorry，I/O仅仅就是数据copy、I/O仅仅就是数据copy。
让我们先把演唱会的事情放在一边，既然是copy数据，又是从哪里copy到哪里呢？
如果数据是从外部设备copy到内存中，这就是Input。
如果数据是从内存copy到外部设备，这就是Output。
内存与外部设备之间不嫌麻烦的来回copy数据就是Input and Output，简称I/O（Input/Output），仅此而已。
I/O与CPU
现在我们知道了什么是I/O，接下来就是重点部分了，大家注意，坐稳了。
我们知道现在的CPU其主频都是数GHz起步，这是什么意思呢？简单说就是CPU执行机器指令的速度是纳秒级别的，而通常的I/O比如磁盘操作，一次磁盘seek大概在毫秒级别，因此如果我们把CPU的速度比作战斗机的话，那么I/O操作的速度就是肯德鸡。
也就是说当我们的程序跑起来时(CPU执行机器指令)，其速度是要远远快于I/O速度的，那么接下来的问题就是二者速度相差这么大，那么我们该如何设计、该如何更加合理的高效利用系统资源呢？
既然有速度差异，而且进程在执行完I/O操作前不能继续向前推进，那么显然只有一个办法，那就是等待，wait。
同样是等待，有聪明的等待，也有傻傻的等待，简称傻等，那么是选择聪明的等待呢还是选择傻等呢？
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快递没到前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。
理解了这一点你就能明白执行I/O操作时底层都发生了什么。
接下来让我们以读取磁盘文件为例来讲解这一过程。
执行I/O时底层都发生了什么
在上一篇《一文彻底理解高并发高性能中的线程与线程池》中，我们引入了进程和线程的概念，在支持线程的操作系统中，实际上被调度的是线程而不是进程，为了更加清晰的理解I/O过程，我们暂时假设操作系统只有进程这样的概念，先不去考虑线程，这并不会影响我们的讨论。
现在内存中有两个进程，进程A和进程B，当前进程A正在运行，如图所示：
进程A中有一段读取文件的代码，不管在什么语言中通常我们定义一个用来装数据的buff，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CPU计算资源浪费在无谓的等待上的，这时重点来了，注意接下来是重点哦。
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，怎么暂停运行呢？很简单，只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就可以了。
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)。
这时操作系统已经向磁盘发送了I/O请求，因此磁盘driver开始将磁盘中的数据copy到进程A的buff中，虽然这时进程A已经被暂停执行了，但这并不妨碍磁盘向内存中copy数据。注意，现代磁盘向内存copy数据时无需借助CPU的帮助，这就是所谓的DMA(Direct Memory Access)，这个过程如图所示：
让磁盘先copy着数据，我们接着聊。
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，在即使只有1个核的机器上也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：
当进程A被暂停执行后CPU是不可以闲下来的，因为就绪队列中还有嗷嗷待哺的进程B，这时操作系统开始在就绪队列中找下一个可以执行的进程，也就是这里的进程B。
此时操作系统将进程B从就绪队列中取出，找出进程B被暂停时执行到的机器指令的位置，然后将CPU的PC寄存器指向该位置，这样进程B就开始运行啦，如图所示：
注意，注意，接下来的这段是重点中的重点。
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，看出来了吗，大家都在忙，谁都没有闲着，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。
现在你应该理解为什么操作系统这么重要了吧。
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啦，你可能会问怎么通知呢？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，从前面关于就绪状态的讨论中我们知道，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，把进程A取出并继续执行。
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。
现在你应该明白了I/O是一个怎样的过程了吧。
这种进程执行I/O操作被阻塞暂停执行的方式被称为阻塞式I/O，blocking I/O，这也是最常见最容易理解的I/O方式，有阻塞式I/O就有非阻塞式I/O，在这里我们暂时先不考虑这种方式。
在本节开头我们说过暂时只考虑进程而不考虑线程，现在我们放宽这个条件，实际上也非常简单，只需要把前图中调度的进程改为线程就可以了，这里的讨论对于线程一样成立。
零拷贝，Zero-copy
最后需要注意的一点就是上面的讲解中我们直接把磁盘数据copy到了进程空间中，但实际上一般情况下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。因此我们可以看到这里其实还有一层经过操作系统的copy，对于性能要求很高的场景其实也是可以绕过操作系统直接进行数据copy的，这也是本文描述的场景，这种绕过操作系统直接进行数据copy的技术被称为Zero-copy，也就零拷贝，高并发、高性能场景下常用的一种技术，原理上很简单吧。
总结
本文讲解的是程序员常用的I/O，一般来说作为程序员我们无需关心，但是理解I/O背后的底层原理对于设计高性能、高并发系统是极为有益的，希望这篇能对大家加深对I/O的认识有所帮助。
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