Linux中的文件IO以及JDK中的NIO模型简介

一、IO方式

1、中断方式

1）当某个进程要进行IO操作时，CPU会将该线程挂起，向相应的IO设备控制器发一条IO命令，然后CPU返回继续执行自己原来的任务。
2）设备控制器收到命令，启动指定的IO设备。此时CPU和IO设备并行工作。
3）以读数据为例，IO设备读完数据之后，设备控制器会向CPU发送中断信号，CPU检查输入过程中是否出错。若没有出错，CPU执行中断处理程序，
  在中断处理中，将数据写入内存。

２、DMA方式

１）当CPU要读数据的时候，向磁盘控制器发送一条读命令，同时将内存起始地址以及磁盘源地址发送至DMA控制器。之后CPU执行自己原来的任务，整个数据传送过程由DMA控制。
２）DMA控制器从磁盘上读如数据，再将数据写入内存中

３、linux实现

  当应用程序想要进行IO操作时，进程会通过系统调用从用户态切换到内核态，并且CPU会将该进程挂起。系统调用是通过CPU执行int 0x80这条指令实现的，0x80对应着中断向量表中中断处理程序的入口地址，所以系统调用其实就是一种软中断。切换到内核态之后，CPU就开始执行linux内核中的方法。
  以从硬盘中读取数据为例，系统调用就是内核中的read方法，并会给read方法传入目标文件的文件描述符。内核会先分配页缓存，之后开始读取数据。
  读数据有两种方式，一种是CPU先将数据读到自己的寄存器中，再将数据写入到内核中的页缓存里。一种是通过DMA，将数据从硬盘直接读到内核的页缓存里。现代计算机都是通过DMA方式读入数据，可以避免CPU把大量时间消耗在搬运数据上。
  当DMA将数据读完后，会给CPU发送一个中断信号，CPU收到信号，将进程又切换为就绪态。当CPU下次调度到该进程时，程序恢复现场，并且数据已经读到了，就可以继续执行了。

  页缓存的作用：如果没有页缓存，程序每一次IO都要重新系统调用read，从用户态切换到内核态，再从硬盘中读数据。有了页缓存，会先去页缓存中找，如果命中，就可以避免系统调用。

二、JDK中的NIO

  传统IO中，读写文件时，会在JVM内部开辟一块缓冲区，利用这块缓冲区将数据写到linux内存中是需要通过系统调用的。
  使用JDK中的NIO读写文件时，会在整个程序的堆外分配缓冲区，即ＭappedByteBuffer，这里要注意JVM运行在linux内核上的一个程序，内核会给它分配一块空间去运行，这块空间是程序的空间，包括程序代码区，数据区，堆区，栈区，JVM就整个运行在这块空间堆区，前面的堆外分配中的堆不是JVM运行时数据区的堆，而是程序的堆，如下图所示。这块缓冲区是虚拟文件系统中存在一块空间，可以根据它的线性地址直接访问内核内存空间中的页缓存。

  所以在读写数据时，数据从JVM中到内核内存这一步是不需要通过系统调用完成的，这样就避免了多余的系统调用。
  简单理解就是数据从JVM到linux内存这个过程，传统IO是需要系统调用read和write方法的，而NIO中是直接往内存里的页缓存读写，是不需要通过系统调用的。所以在大文件的读写时，使用NIO效率更高。