IO读写原理

为了避免用户进程直接操作内核，保证内核安全，操作系统将内存（虚拟内存）划分 
为两部分：

1. 内核空间（Kernel-Space）：内核模块运行在内核空间，对应的进程处于内核态；
2. 用户空间（User-Space）：用户程序运行在用户空间，对应的进程处于用户态。

     操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内核空间，也有访问底层硬件设备的权限。内核空间总是驻留在内存中，它是为操作系统的内核保留的。应用程序是不允许直接在内核空间区域进行读写，也是不容许直接调用内核代码定义的函数的。每个应用程序进程都有一个单独的用户空间，对应的进程处于用户态，用户态进程不能访问内核空间中的数据，也不能直接调用内核函数的，因此要进行系统调用的时候，就要将进程切换到内核态才能进行。

      内核态进程可以执行任意命令，调用系统的一切资源，而用户态进程只能执行简单的运算，不能直接调用系统资源，所以用户态进程必须通过系统接口（System Call），才能向内核发出指令，完成调用系统资源之类的操作。

      用户程序进行IO的读写，依赖于底层的IO读写，基本上会用到底层的两大系统调用： sys_read & sys_write。sys_read&sys_write两大系统调用都会涉及缓冲区。

1. sys_read系统调用：把数据从内核缓冲区复制到应用程序的进程缓冲区
2. sys_write系统调用：把数据从应用程序的进程缓冲区复制到操作系统内核缓冲区。

        应用程序的IO操作实际是内核缓冲区与应用程序进程缓冲区的缓冲复制sys_read&sys_write两大系统调用，都不负责数据在内核缓冲区和物理设备（如磁盘、网卡等）之间的交换。这项底层的读写交换操作，是由操作系统内核（Kernel）来完成的。

        所以，应用程序中的IO操作，无论是对Socket的IO操作，还是对文件的IO操作，都属于上层 
应用的开发，它们的在输入（Input）和输出（Output）维度上的执行流程，都是在内核缓冲区和进程缓冲区之间的进行数据交换。

内核缓冲区与进程缓冲区

        缓冲区的目的，是为了减少频繁地与设备之间的物理交换。计算机的外部物理设备与内存与CPU相比，有着非常大的差距，外部设备的直接读写，涉及操作系统的中断。发生系统中断时，需要保存之前的进程数据和状态等信息，而结束中断之后，还需要恢复之前的进程数据和状态等信息。为了减少底层系统的频繁中断所导致的时间损耗、性能损耗，于是出现了内核缓冲区。

        有了内核缓冲区，操作系统会对内核缓冲区进行监控，等待缓冲区达到一定数量的时候，再进行IO设备的中断处理，集中执行物理设备的实际IO操作，通过这种机制来提升系统的性能。至于具体在什么时候执行系统中断（包括读中断、写中断），则由操作系统的内核来决定，应用程序不需要关心。

        上层应用程序使用sys_read系统调用时，仅仅把数据从内核缓冲区复制到上层应用的缓冲区（进程缓冲区）；上层应用使用sys_write系统调用时，仅仅把数据从应用的用户缓冲区复制到内核缓冲区中。

        内核缓冲区与应用缓冲区在数量上也不同，在Linux系统中，操作系统内核只有一个内核缓冲区。而每个用户程序（进程）则有自己独立的缓冲区，叫做用户缓冲区或者进程缓冲区。Linux系统中的用户程序的IO读写程序，在大多数情况下，并没有进行实际的IO操作，而是在用户缓冲区和内核缓冲区之间直接进行数据的交换。

        系统调用sys_read&sys_write，并不是使数据在内核缓冲区和物理设备之间的交换。 sys_read调用把数据从内核缓冲区复制到应用的用户缓冲区，sys_write调用把数据从应用的 
用户缓冲区复制到内核缓冲区，两个系统调用的大致的流程如下图所示：

举例说明，比如客户端和服务器端之间完成一次socket请求和响应（包括sys_read和sys_write）的数据交换 ，其流程如下：

1. 客户端发送请求：客户端程序通过sys_write系统调用，将数据复制到内核缓冲区，Linux将内核缓冲区的请求数据通过客户端器的网卡发送出去。
2. 服务端系统接收数据：在服务端，这份请求数据会被服务端操作系统通过DMA硬件，从接收网卡中读取到服务端机器的内核缓冲区。
3. 服务端程序获取数据：服务端程序通过sys_read系统调用，从Linux内核缓冲区复制数据，复制到用户缓冲区。
4. 服务器端业务处理：服务器在自己的用户空间中，完成客户端的请求所对应的业 
   务处理。
5. 服务器端返回数据：服务器程序完成处理后，构建好的响应数据，将这些数据从用户缓冲区写入内核缓冲区，这里用到的是sys_write系统调用，操作系统会负责将内核缓冲区的数据发送出去。
6. 服务端系统发送数据：服务端Linux系统将内核缓冲区中的数据写入网卡，网卡通过底层的通信协议，会将数据发送给目标客户端。