（一）内核态与用户态
操作系统为隔离资源访问权限，划分出内核态与用户态。应用程序默认运行于用户态，仅能访问受限资源；执行 IO 等底层操作时需切换至内核态，因内核态拥有硬件访问与系统资源管理的最高权限。
从用户态到内核态的切换通过系统调用实现，操作系统会校验操作合法性。此机制隔离用户程序与系统核心，提升稳定性。例如文件读取：用户态程序无法直接访问磁盘，通过系统调用进入内核态后，由内核文件系统与磁盘驱动协作完成操作。
（二）应用程序接收网络数据流程
- 数据传输路径：网络数据先抵达网卡，经物理层和数据链路层处理后，进入内核态 Socket 缓冲区，再通过内核态到用户态的切换，拷贝至用户缓冲区供应用程序处理。
- 关键作用：网卡是数据入口并做初步处理；内核 Socket 缓冲区暂存数据并按协议栈预处理；用户缓冲区是应用程序直接操作的数据区域。
（三）同步 / 异步与阻塞 / 非阻塞
- 同步与异步：同步需等待操作完成才继续执行，逻辑简单但并发效率低；异步无需等待，通过回调或事件通知获取结果，并发能力强但实现复杂。
- 阻塞与非阻塞：阻塞时进程 / 线程暂停等待 IO 完成；非阻塞时 IO 操作立即返回状态，程序可轮询检查，避免阻塞但需控制轮询间隔。
二、计算机网络概述
（一）计算机网络定义
计算机网络是通过通信设备和线路连接地理分散的计算机，借助网络软件实现数据通信与资源共享的系统，打破地理限制，实现信息交换与软硬件资源共享。
（二）网络分类（按地域）
|-----------|---------------|--------------------|---------------------|
| 类型 | 范围 | 特点 | 典型应用 |
| 局域网（LAN） | 办公室、校园等几千米内 | 高传输速率、低误码率、易管理 | 企业内部资源共享、校园网教学资源访问 |
| 城域网（MAN） | 城市范围，几十到上百千米 | 速率介于 LAN 和 WAN 之间 | 城市政务网、教育城域网 |
| 广域网（WAN） | 跨国家 / 大洲 | 传输距离长，速率相对较低 | 互联网、跨国企业异地互联 |
| 万维网 | 基于互联网的应用服务 | 通过 HTTP 协议访问网页资源 | 电子商务、社交媒体、在线教育 |
（三）IP 与域名
IP 地址
- IPv4：32 位，点分十进制表示，地址空间约 43 亿个，分公网和局域网 IP，面临地址枯竭问题。
- IPv6：128 位，冒分十六进制表示，地址空间极大，且在安全性、性能等方面有改进。
- 域名：IP 地址的易记文本表示，通过 DNS 解析为 IP 地址。解析过程为用户输入域名后，浏览器向 DNS 服务器查询，最终获取 IP 地址建立连接。
三、网络 IO 模型
（一）IO 定义
IO 即输入 / 输出操作，是程序与外部设备、其他程序或网络主机间的数据交换过程，如键盘输入、文件读写、网络数据收发等。
（二）IO 模型应用场景
- 网络编程：管理网络通信，不同模型适配不同并发需求，如 Nginx 用 IO 多路复用处理高并发 HTTP 请求。
- 文件操作：管理文件读写，优化磁盘 IO 性能，如大数据处理用异步 IO 提升效率。
- 数据库管理：影响数据库性能，如 MySQL 的 InnoDB 用预读和异步 IO 优化读写。
- 标准输入输出：命令行程序的键盘输入和屏幕输出，依赖操作系统缓冲区管理。
（三）主要 IO 模型
- 阻塞 IO 模型
- 工作原理：IO 操作未完成时，进程 / 线程阻塞等待。
cpp
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main() {
char buffer[1024];
int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
// 阻塞读取文件，若数据未就绪则等待
ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
printf("Read %zd bytes\n", bytes_read);
close(fd);
return 0;
}
- 特点：实现简单，高并发下资源浪费严重。
非阻塞 IO 模型
- 工作原理：IO 操作未完成时立即返回错误，程序轮询检查。
cpp
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
int main() {
char buffer[1024];
int fd = open("file.txt", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
while (1) {
ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
if (bytes_read > 0) {
printf("Read %zd bytes\n", bytes_read);
break;
} else if (bytes_read == -1 && errno != EAGAIN) {
perror("Read error");
break;
}
// 无数据时执行其他任务
usleep(100000);
}
close(fd);
return 0;
- 特点：避免阻塞，轮询消耗 CPU 资源。
IO 多路复用模型
- 工作原理：通过系统调用监控多个 IO 通道，就绪后再处理。
cpp
event.data.fd = fd;
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);
while (1) {
int n = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, -1);
for (int i = 0; i < n; i++) {
if (events[i].data.fd == fd && events[i].events & EPOLLIN) {
char buffer[1024];
ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
printf("Read %zd bytes\n", bytes_read);
close(fd);
return 0;
}
- 特点：高效管理多 IO 通道，适合高并发场景，如 Nginx 基于 epoll 实现高性能。
- 信号驱动 IO 模型
- 工作原理：注册信号处理函数，IO 就绪时内核发送信号触发处理。
- 特点：无需轮询，信号处理复杂，兼容性有限。
异步 IO 模型
- 工作原理：内核完成 IO 操作后通过回调通知应用程序。
- 特点：IO 与程序任务并行，并发性能优，实现复杂需系统和语言支持。
四、网络体系结构与协议
（一）网络体系结构
OSI 七层模型从下到上为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，各层功能明确，协同完成网络通信。TCP/IP 协议族更简洁，对应四层为网络接口层、网络层、传输层、应用层。
（二）各层核心内容
- 物理层：处理物理介质信号传输，定义电气、机械等特性，涉及网卡、中继器等设备。
- 数据链路层：将比特流组织成帧，进行差错检测和介质访问控制，协议有以太网、PPP，设备有交换机。
- 网络层：负责跨网络路由和寻址，核心协议为 IP，还有 ICMP 等辅助协议，设备为路由器。
- 传输层：提供端到端数据传输服务，TCP 面向连接且可靠，UDP 无连接且高效，通过端口号标识应用程序。
- 会话层：管理应用程序会话连接，功能多由应用层或传输层结合程序逻辑实现。
- 表示层：处理数据格式转换、加密解密和压缩解压，保障数据正确理解。
- 应用层：直接为用户程序提供服务，协议有 HTTP/HTTPS、FTP、SMTP、DNS 等。
（三）TCP/IP 协议族概述
各层对应 OSI 模型及核心协议：网络接口层对应物理层和数据链路层，含以太网等协议；网络层以 IP 为核心；传输层有 TCP 和 UDP；应用层集成各类用户协议，简洁实用，适应不同网络环境。
（四）网络 IO 模型与协议关联
TCP 因复杂可靠性机制，高并发下常用 IO 多路复用或异步 IO；UDP 简单，适用非阻塞或 IO 多路复用。协议分层处理会影响 IO 延迟，高效 IO 模型可减少切换和拷贝开销提升效率。