从根上理解高性能、高并发(二)：深入操作系统，理解I/O与零拷贝技术
本文原题“读取文件时，程序经历了什么？”，本次发布时有少许改动。
1、系列文章引言
1.1 文章目的
作为即时通讯技术的开发者来说，高性能、高并发相关的技术概念早就了然与胸，什么线程池、零拷贝、多路复用、事件驱动、epoll等等名词信手拈来，又或许你对具有这些技术特征的技术框架比如：Java的Netty、Php的workman、Go的nget等熟练掌握。但真正到了面视或者技术实践过程中遇到无法释怀的疑惑时，方知自已所掌握的不过是皮毛。
返璞归真、回归本质，这些技术特征背后的底层原理到底是什么？如何能通俗易懂、毫不费力真正透彻理解这些技术背后的原理，正是《从根上理解高性能、高并发》系列文章所要分享的。
1.2 文章源起
我整理了相当多有关IM、消息推送等即时通讯技术相关的资源和文章，从最开始的开源IM框架MobileIMSDK，到网络编程经典巨著《TCP/IP详解》的在线版本，再到IM开发纲领性文章《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》，以及网络编程由浅到深的《网络编程懒人入门》、《脑残式网络编程入门》、《高性能网络编程》、《不为人知的网络编程》系列文章。
越往知识的深处走，越觉得对即时通讯技术了解的太少。于是后来，为了让开发者门更好地从基础电信技术的角度理解网络（尤其移动网络）特性，我跨专业收集整理了《IM开发者的零基础通信技术入门》系列高阶文章。这系列文章已然是普通即时通讯开发者的网络通信技术知识边界，加上之前这些网络编程资料，解决网络通信方面的知识盲点基本够用了。
对于即时通讯IM这种系统的开发来说，网络通信知识确实非常重要，但回归到技术本质，实现网络通信本身的这些技术特征：包括上面提到的线程池、零拷贝、多路复用、事件驱动等等，它们的本质是什么？底层原理又是怎样？这就是整理本系列文章的目的，希望对你有用。
1.3 文章目录
- 《从根上理解高性能、高并发(一)：深入计算机底层，理解线程与线程池》
- 《从根上理解高性能、高并发(二)：深入操作系统，理解I/O与零拷贝技术》（* 本文）
- 《从根上理解高性能、高并发(三)：深入操作系统，彻底理解I/O多路复用》
- 《从根上理解高性能、高并发(四)：深入操作系统，彻底理解同步与异步》
- 《从根上理解高性能、高并发(五)：深入操作系统，理解高并发中的协程》
- 《从根上理解高性能、高并发(六)：高并发高性能服务器到底是如何实现的 （稍后发布..）》
1.4 本篇概述
接上篇《深入计算机底层，理解线程与线程池》，本篇是高性能、高并发系列的第2篇文章，在这里我们来到了I/O这一话题。你有没有想过，当我们执行文件I/O、网络I/O操作时计算机底层到底发生了些什么？对于计算机来说I/O是极其重要的，本篇将带给你这个问的答案。
2、本文作者
应作者要求，不提供真名，也不提供个人照片。
本文作者主要技术方向为互联网后端、高并发高性能服务器、检索引擎技术，网名是“码农的荒岛求生”，公众号“码农的荒岛求生”。感谢作者的无私分享。
3、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，比如：
- 1）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；
- 2）当我们使用各种语言读写文件时；
- 3）当我们通过TCP/IP进行网络通信时；
- 4）当我们使用鼠标龙飞凤舞时；
- 5）当我们拿起键盘在评论区指点江山亦或是埋头苦干努力制造bug时；
- 6）当我们能看到屏幕上的漂亮的图形界面时等等。
以上这一切，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？
4、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！
既然是copy数据，那么又是从哪里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。
5、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。
6、执行I/O时底层都发生了什么
在上一篇《深入计算机底层，理解线程与线程池》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。
如下图所示：
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。
就像这样：
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。
如下图所示，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）。
这个过程如下图所示：
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。
如下图所示：
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。
如下图所示：
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。
如下图所示：
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。
如下图所示：
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。
7、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。
PS：对于搞即时通讯开发的Java程序员来说，著名的高性能网络框架Netty就使用了零拷贝技术，具体可以读《NIO框架详解：Netty的高性能之道》一文的第12节。如果对于Netty框架很好奇但不了解的话，可以因着这两篇文章入门：《新手入门：目前为止最透彻的的Netty高性能原理和框架架构解析》、《史上最通俗Netty入门长文：基本介绍、环境搭建、动手实战》。
8、本文小结
本文讲解的是程序员常用的I/O（包括所谓的网络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比如IM这种高性能、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。
接下来的一篇《从根上理解高性能、高并发(三)：深入操作系统，彻底理解I/O多路复用》将要分享的是I/O技术的一大突破，正是因为它，才彻底解决了高并发网络通信中的C10K问题（见《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》），敬请期待！
附录：相关资料
《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》
《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》
《高性能网络编程(三)：下一个10年，是时候考虑C10M并发问题了》
《高性能网络编程(四)：从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索》
《高性能网络编程(五)：一文读懂高性能网络编程中的I/O模型》
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