JAVA IO 以及 NIO 理解

由于Netty，了解了一些异步IO的知识，JAVA里面NIO就是原来的IO的一个补充，本文主要记录下在JAVA中IO的底层实现原理，以及对Zerocopy技术介绍。

IO，其实意味着：数据不停地搬入搬出缓冲区而已（使用了缓冲区）。比如，用户程序发起读操作，导致“ syscall read ”系统调用，就会把数据搬入到 一个buffer中；用户发起写操作，导致 “syscall write ”系统调用，将会把一个 buffer 中的数据 搬出去(发送到网络中 or 写入到磁盘文件)

上面的过程看似简单，但是底层操作系统具体如何实现以及实现的细节就非常复杂了。正是因为实现方式不同，有针对普通情况下的文件传输(暂且称普通IO吧)，也有针对大文件传输或者批量大数据传输的实现方式，比如zerocopy技术。

先来看一张普通的IO处理的流程图：

整个IO过程的流程如下：

1）程序员写代码创建一个缓冲区（这个缓冲区是用户缓冲区）：哈哈。然后在一个while循环里面调用read()方法读数据(触发"syscall read"系统调用)

byte[] b = new byte[4096];

while((read = inputStream.read(b))>=0) {
   
   
        total = total + read;
            // other code....
        }

2)当执行到read()方法时，其实底层是发生了很多操作的：

①内核给磁盘控制器发命令说：我要读磁盘上的某某块磁盘块上的数据。–kernel issuing a command to the disk controller hardware to fetch the data from disk.

②在DMA的控制下，把磁盘上的数据读入到内核缓冲区。–The disk controller writes the data directly into a kernel memory buffer by DMA

③内核把数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。–kernel copies the data from the temporary buffer in kernel space

这里的用户缓冲区应该就是我们写的代码中 new 的 byte[] 数组。

从上面的步骤中可以分析出什么？

ⓐ对于操作系统而言，JVM只是一个用户进程，处于用户态空间中。而处于用户态空间的进程是不能直接操作底层的硬件的。而IO操作就需要操作底层的硬件，比如磁盘。因此，IO操作必须得借助内核的帮助才能完成(中断，trap)，即：会有用户态到内核态的切换。

ⓑ我们写代码 new byte[] 数组时，一般是都是“随意” 创建一个“任意大小”的数组。比如，new byte[128]、new byte[1024]、new byte[4096]…

但是，对于磁盘块的读取而言，每次访问磁盘读数据时，并不是读任意大小的数据的，而是：每次读一个磁盘块或者若干个磁盘块(这是因为访问磁盘操作代价是很大的，而且我们也相信局部性原理) 因此，就需要有一个“中间缓冲区”–即内核缓冲区。先把数据从磁盘读到内核缓冲区中，然后再把数据从内核缓冲区搬到用户缓冲区。

这也是为什么我们总感觉到第一次read操作很慢，而后续的read操作却很快的原因吧。因为，对于后续的read操作而言，它所需要读的数据很可能已经在内核缓冲区了，此时