程序員應(yīng)該這樣理解IO
引言
很多程序員會談及IO，仿佛是種時尚或者給自己貼金的方式，因為提上它一般會涉及應(yīng)用程序的性能相關(guān)話題，離高深的底層知識更接近了。但多數(shù)人的理解其實是模糊的，他們的腦海里會浮動著抽象的場景：IO就是輸入輸出啊，電腦在磁盤上讀寫就是IO，僅此而已，或者，更高明一點，他們隱隱約約的意識到IO是個耗性能的家伙。
原諒這些膚淺的程序員吧，他們在無數(shù)個夜晚挑燈夜戰(zhàn)，加班加點，做項目趕進(jìn)度，又基本沒有個人生活，還隨時可能猝死，哪里還有什么時間回爐深造，更何況作者也曾經(jīng)是他們中的一員。
什么是IO
IO是輸入input輸出output的首字母縮寫形式，直觀意思是計算機(jī)輸入輸出，它描述的是計算機(jī)的數(shù)據(jù)流動的過程，因此IO第一大特征是有數(shù)據(jù)的流動；另外，對于一次IO，它究竟是輸入還是輸出，是針對不同的主體而言的，不同的主體有不同的描述。例如，甲乙兩人交談，甲將大腦中的想法通過聲帶震動，繼而通過聲波傳入乙的耳朵，乙通過耳膜的震動再由神經(jīng)將信號解析到大腦，這個數(shù)據(jù)流動的過程對甲而言是輸出，對乙而言是輸入。
因此，理解IO一定要弄清楚所要研究的本體。
下面，我們從三個層面來理解IO。
首先，從直觀層面去理解IO。
此時，IO是計算機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)流動過程，本體是一個有使用意義的可運行的電腦，它是計算機(jī)運行的完全必要部分。姑且認(rèn)為這個完全必要部分是臺式電腦的主機(jī)，里面有CPU、內(nèi)存、主板、電源等設(shè)備，因為有了這些，一臺有使用意義的電腦即可運行。有了主機(jī)，并不能方便的為人所服務(wù)，因此得有外設(shè)。外設(shè)是電腦的外圍設(shè)備，如顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等，它們是完成人機(jī)交互的輔助工具。外設(shè)包含兩種重要設(shè)備（但不限于此）：輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。像鼠標(biāo)鍵盤屬于輸入設(shè)備，將人的指令轉(zhuǎn)成“鼠鍵行為”這種數(shù)據(jù)傳給主機(jī)；顯示器是輸出設(shè)備，主機(jī)通過運算，把“返回信息”這種數(shù)據(jù)傳給顯示器。
其次，從計算機(jī)架構(gòu)的角度去理解IO。
從計算機(jī)架構(gòu)上來講，任何涉及到計算機(jī)核心（CPU和內(nèi)存）與其他設(shè)備間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的過程就是IO。本體就是計算機(jī)核心（CPU和內(nèi)存）。例如從硬盤上讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存，是一次輸入，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入到硬盤就產(chǎn)生了輸出。在計算機(jī)的世界里，這就是IO的本質(zhì)。
最后，從編程的角度去理解IO。
此時，IO的主體是其應(yīng)用程序的運行態(tài)，即進(jìn)程，特別強調(diào)的是我們的應(yīng)用程序其實并不存在實質(zhì)的IO過程，真正的IO過程是操作系統(tǒng)的事情，這里把應(yīng)用程序的IO操作分為兩種動作：IO調(diào)用和IO執(zhí)行。IO調(diào)用是由進(jìn)程發(fā)起，IO執(zhí)行是操作系統(tǒng)的工作。因此，更準(zhǔn)確些來說，此時所說的IO是應(yīng)用程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)IO功能的一次觸發(fā)，即IO調(diào)用。
IO調(diào)用的目的是將進(jìn)程的內(nèi)部數(shù)據(jù)遷移到外部即輸出，或?qū)⑼獠繑?shù)據(jù)遷移到進(jìn)程內(nèi)部即輸入。這里，外部數(shù)據(jù)指非進(jìn)程空間數(shù)據(jù)，在編程時，通常討論的場景是來自外部存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)，如硬盤、CD-ROM、以及需要socket通信傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
以一個進(jìn)程的輸入類型的IO調(diào)用為例，它將完成或引起如下工作內(nèi)容：
- 進(jìn)程向操作系統(tǒng)請求外部數(shù)據(jù)
- 操作系統(tǒng)將外部數(shù)據(jù)加載到內(nèi)核緩沖區(qū)
- 操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到進(jìn)程緩沖區(qū)
- 進(jìn)程讀取數(shù)據(jù)繼續(xù)后面的工作
從上面的描述來看，我們更容易理解一個IO操作，應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)都干了些什么，也幫助我們更容器理解阻塞和非阻塞，異步和同步的相關(guān)IO編程概念。
阻塞和非阻塞IO
阻塞和非阻塞強調(diào)的是進(jìn)程對于操作系統(tǒng)IO是否處于就緒狀態(tài)的處理方式。
上面已經(jīng)說過，應(yīng)用程序的IO實際是分為兩個步驟，IO調(diào)用和IO執(zhí)行。IO調(diào)用是由進(jìn)程發(fā)起，IO執(zhí)行是操作系統(tǒng)的工作。操作系統(tǒng)的IO情況決定了進(jìn)程IO調(diào)用是否能夠得到立即響應(yīng)。如進(jìn)程發(fā)起了讀取數(shù)據(jù)的IO調(diào)用，操作系統(tǒng)需要將外部數(shù)據(jù)拷貝到進(jìn)程緩沖區(qū)，在有數(shù)據(jù)拷貝到進(jìn)程緩沖區(qū)前，進(jìn)程緩沖區(qū)處于不可讀狀態(tài)，我們稱之為操作系統(tǒng)IO未就緒。
進(jìn)程的IO調(diào)用是否能得到立即執(zhí)行是需要操作系統(tǒng)IO處于就緒狀態(tài)的，對于讀取數(shù)據(jù)的操作，如果操作系統(tǒng)IO處于未就緒狀態(tài)，當(dāng)前進(jìn)程或線程如果一直等待直到其就緒，該種IO方式為阻塞IO。如果進(jìn)程或線程并不一直等待其就緒，而是可以做其他事情，這種方式為非阻塞IO。所以對于非阻塞IO，我們編程時需要經(jīng)常去輪詢就緒狀態(tài)。
異步和同步IO
我們經(jīng)常會談及同步IO和異步IO。同步和異步描述的是針對當(dāng)前執(zhí)行線程、或進(jìn)程而言，發(fā)起IO調(diào)用后，當(dāng)前線程或進(jìn)程是否掛起等待操作系統(tǒng)的IO執(zhí)行完成。
我們說一個IO執(zhí)行是同步執(zhí)行的，意思是程序發(fā)起IO調(diào)用，當(dāng)前線程或進(jìn)程需要等待操作系統(tǒng)完成IO工作并告知進(jìn)程已經(jīng)完成，線程或進(jìn)程才能繼續(xù)往下執(zhí)行其他既定指令。
如果說一個IO執(zhí)行是異步的，意思是該動作是由當(dāng)前線程或進(jìn)程請求發(fā)起，且當(dāng)前線程或進(jìn)程不必等待操作系統(tǒng)IO的執(zhí)行完畢，可直接繼續(xù)往下執(zhí)行其他既定指令。操作系統(tǒng)完成IO后，當(dāng)前線程或進(jìn)程會得到操作系統(tǒng)的通知。
以一個讀取數(shù)據(jù)的IO操作而言，在操作系統(tǒng)將外部數(shù)據(jù)寫入進(jìn)程緩沖區(qū)這個期間，進(jìn)程或線程掛起等待操作系統(tǒng)IO執(zhí)行完成的話，這種IO執(zhí)行策略就為同步，如果進(jìn)程或線程并不掛起而是繼續(xù)工作，這種IO執(zhí)行策略便為異步。
總結(jié)
綜上，從編程的角度講述了程序員應(yīng)該如何去理解IO編程的一些概念。其關(guān)鍵點是要將應(yīng)用程序的IO操作分為兩個步驟來理解：IO調(diào)用和IO執(zhí)行。IO調(diào)用才是應(yīng)用程序干的事情，而IO執(zhí)行是操作系統(tǒng)的工作。在IO調(diào)用時，對待操作系統(tǒng)IO就緒狀態(tài)的不同方式，決定了其是阻塞或非阻塞模式；在IO執(zhí)行時，線程或進(jìn)程是否掛起等待IO執(zhí)行決定了其是否為同步或異步IO。
