一、I/O的相关概念

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。

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

Java中的IO、NIO

参考下面两篇博客

IO
https://blog.csdn.net/qq_37883866/article/details/140047819

NIO
https://blog.csdn.net/qq_37883866/article/details/140047866

相关推荐
5:0041 分钟前
Qt:(创建项目)
java·前端·qt
努力的搬砖人.44 分钟前
Spring Boot 使用 WebMagic 爬虫框架入门
java·spring boot·爬虫
Code哈哈笑1 小时前
【SpringBoot】Spring中事务的实现:声明式事务@Transactional、编程式事务
java·spring boot·后端·spring·mybatis
大鱼天1 小时前
intellij idea最新版git开启Local Changes
java·git·intellij-idea
n33(NK)3 小时前
【算法基础】冒泡排序算法 - JAVA
java·算法·排序算法
小园子的小菜3 小时前
探索 Disruptor:高性能并发框架的奥秘
java
碎梦归途7 小时前
23种设计模式-行为型模式之状态模式(Java版本)
java·jvm·设计模式·状态模式·软考·软件设计师·行为模式
豆沙沙包?8 小时前
2025年- H16-Lc124-169.多数元素(技巧)---java版
java·开发语言
zhangxueyi9 小时前
Java实现基数排序算法
java·数据结构·算法
Another Iso10 小时前
同时启动俩个tomcat压缩版
java·tomcat