IO 系列——用户空间与内核空间

为了能更好理解程序中IO的操作，我们首先需要了解一下计算机中关于IO的基础知识。在这篇文章中重点掌握三个知识点：

• 计算机的组成；

• 用户空间与内核空间；

• 网络访问一个文件的IO过程；

1. 计算机的组成

现代计算机是由硬件、操作系统组成，操作系统通过内核与硬件交互。操作系统可以划分为：内核与应用两部分，内核提供进程管理、内存管理、网络等底层功能，封装了与硬件交互的接口，通过系统调用提供给上层应用使用。

图1

2. 用户空间与内核空间

由于CPU某些指令比较危险，如果错用会导致系统崩溃，为了保护系统，操作系统将内存空间划分为了两部分：

• 内核空间；

• 用户空间；



当进程运行在内核空间时，它就处于内核态；当进程运行在用户空间时，它就处于用户态。

当我们需要进行IO操作时，如读写硬盘文件、读写网卡数据等，进程需要切换到内核态，否则无法进行这样的操作，无论是从内核态切换到用户态，还是从用户态切换到内核态，都需要进行一次上下文的切换。一般情况下，应用不能直接操作内核空间的数据，需要把内核态的数据拷贝到用户空间才能操作。



3. IO示例

假如有一个网络请求想访问服务器上的某个静态文件，我们来看一下在这个示例中服务器的具体IO流程。

图2

整个过程如下：

1. 进程发起一个系统调用sys_read，读取磁盘的文件；

2. DMA将磁盘文件数据拷贝到内核空间的read缓冲区；

3. CPU把内核空间read缓冲区数据拷贝到用户空间的缓冲区；

4. 进程发起一个系统调用socket_write，向网卡写数据；

5. CPU把用户空间缓冲区的数据拷贝到内核空间的socket缓冲区；

6. 最后DMA把内核空间的socket缓冲区数据拷贝到网卡；



可以看到，在整个过程中进行了四次的数据拷贝，而且也进行了四次的上下文切换。这种IO操作的效率是比较低的，因为进行了多次数据拷贝，如果希望提高IO效率，可以减少其中的数据拷贝，后面讲到的零拷贝技术就是为了减少IO操作过程中的数据拷贝次数。



PS：DMA即直接存储器访问，可以看作CPU的一个辅助硬件访问的芯片，在进行内存与IO设备数据传输时，不需要CPU来控制，直接通过DMA进行。



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