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緩沖區(qū)操作
緩沖區(qū)以及緩沖區(qū)是如何工作，是所有I/O的基礎(chǔ)。“輸入/輸出”就是把數(shù)據(jù)移進(jìn)或移出緩沖區(qū)。
進(jìn)程執(zhí)行I/O操作，就是向操作系統(tǒng)發(fā)出請求，讓它要么把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)排干（寫），要么用數(shù)據(jù)把緩沖區(qū)填滿（讀）。進(jìn)程使用這一機制處理所有數(shù)據(jù)進(jìn)出操作。
從磁盤讀數(shù)據(jù)到進(jìn)程內(nèi)存區(qū)：
進(jìn)程使用 read( ) 系統(tǒng)調(diào)用，要求其緩沖區(qū)被填滿。內(nèi)核隨即向磁盤控制硬件發(fā)出命令，要求其從磁盤讀取數(shù)據(jù)。磁盤控制器把數(shù)據(jù)直接寫入內(nèi)核內(nèi)存緩沖區(qū)，這一步通過DMA完成，無需主CPU 協(xié)助。一旦磁盤控制器把緩沖區(qū)裝滿，內(nèi)核即把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間的臨時緩沖區(qū)拷貝到進(jìn)程執(zhí)行read( ) 調(diào)用時指定的緩沖區(qū)。
用戶空間與內(nèi)核空間
用戶空間：用戶空間是常規(guī)進(jìn)程所在區(qū)域，是非特權(quán)區(qū)域，比如該區(qū)域的代碼不能直接訪問硬件設(shè)備。
內(nèi)核空間：內(nèi)核空間是操作系統(tǒng)所在區(qū)域，有特別的權(quán)利：能與設(shè)備控制器通訊，控制用戶區(qū)域進(jìn)程的運行狀態(tài)等等。
所有I/O都直接或間接通過內(nèi)核空間，通過請求頁面調(diào)度完成。
當(dāng)進(jìn)程請求I/O操作的時候，它執(zhí)行一個系統(tǒng)調(diào)用將控制權(quán)移交給內(nèi)核。內(nèi)核隨即采取必要步驟，找到進(jìn)程所需數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送到用戶空間內(nèi)指定的緩沖區(qū)。如果數(shù)據(jù)已在內(nèi)核空間，直接拷貝即可；如果不在內(nèi)核空間，則進(jìn)程被掛起，內(nèi)核著手把數(shù)據(jù)讀進(jìn)內(nèi)存。
發(fā)散、匯聚
根據(jù)發(fā)散、匯聚的概念，進(jìn)程只需一個系統(tǒng)調(diào)用，就能把一連串緩沖區(qū)地址傳遞給操作系統(tǒng)，然后內(nèi)核就潰瘍順序填充或排干多個緩沖區(qū)，讀的時候把數(shù)據(jù)發(fā)散到多個用戶空間緩沖區(qū)，寫的時候再從多個緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)匯聚起來。
虛擬內(nèi)存
虛擬內(nèi)存意為使用虛假（或虛擬）地址取代物理（硬件RAM）內(nèi)存地址，好處有兩大類：
一個以上的虛擬地址可指向同一個物理內(nèi)存地址。
虛擬內(nèi)存空間可大于實際可用的硬件內(nèi)存。
由于設(shè)備控制器不能通過DMA直接存儲到用戶空間，但通過把內(nèi)核空間地址和用戶空間的虛擬地址映射到同一個物理地址，這樣，DMA硬件（只能訪問物理內(nèi)存地址）就可以填充對內(nèi)核與用戶空間進(jìn)程同時可見的緩沖區(qū)。
內(nèi)存空間多重映射：
省去了內(nèi)核與用戶空間的來往拷貝，前提是，內(nèi)核與用戶緩沖區(qū)必須使用相同的頁對齊，緩沖區(qū)的大小還必須是磁盤控制器塊大小的倍數(shù)。
操作系統(tǒng)把內(nèi)存地址空間劃分為頁，及固定大小的字節(jié)組。內(nèi)存頁的大小總是磁盤塊大小的倍數(shù)，通常是2次冪（可簡化尋址操作）。
內(nèi)存頁：
內(nèi)存頁面調(diào)度
為了支持虛擬內(nèi)存尋址空間大于物理內(nèi)存，必須進(jìn)行虛擬內(nèi)存分頁（一般稱為交換，真正的交換是在進(jìn)程層面完成，非頁面層面）。對于暫時不用的內(nèi)存頁放到外部磁盤存儲，為物理內(nèi)存中的其他虛擬頁騰出空間。本質(zhì)上，物理內(nèi)存充當(dāng)了分頁區(qū)的高速緩存；分頁區(qū)就是從物理內(nèi)存置換出來，存儲在磁盤上的內(nèi)存頁面。
現(xiàn)代CPU包含一個內(nèi)存管理單元（MMU）的子系統(tǒng)，邏輯上位于 CPU與物理內(nèi)存之間。該設(shè)備包含了虛擬地址向物理內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換時所需映射信息。當(dāng)CPU引用某內(nèi)存地址時，MMU負(fù)責(zé)確定該地址所在頁（通常通過對地址進(jìn)行移位和屏蔽位操作來實現(xiàn)），并將虛擬頁號轉(zhuǎn)換為物理頁號（由硬件完成，速度極快）。如果當(dāng)前不存在與該虛擬頁形成有效映射的物理內(nèi)存頁，MMU向CPU提交一個頁錯誤。
頁錯誤隨即產(chǎn)生一個陷阱（類似于系統(tǒng)調(diào)用），把控制權(quán)移交給內(nèi)核，附帶導(dǎo)致錯誤的虛擬地址信息，然后內(nèi)核采取步驟驗證頁的有效性。內(nèi)核會安排頁面調(diào)入操作，把缺失的頁內(nèi)容讀回物理內(nèi)存。這往往導(dǎo)致別的頁被移出物理內(nèi)存，好給新來的頁讓地方。在這種情況下，如果待移出的頁已經(jīng)被碰過了（自創(chuàng)建或上次頁面調(diào)入以來，內(nèi)容已發(fā)生改變），還必須首先執(zhí)行頁面調(diào)出，把頁內(nèi)容拷貝到磁盤上的分頁區(qū)。
如果所要求的地址不是有效的虛擬內(nèi)存地址（不屬于正在執(zhí)行的進(jìn)程的任何一個內(nèi)存段），則該頁不能通過驗證，段錯誤隨即產(chǎn)生。于是，控制權(quán)轉(zhuǎn)交給內(nèi)核的另一部分，通常導(dǎo)致的結(jié)果就是進(jìn)程被強令關(guān)閉。
一旦出錯的頁通過了驗證，MMU 隨即更新，建立新的虛擬到物理的映射（如有必要，中斷被移出頁的映射），用戶進(jìn)程得以繼續(xù)。造成頁錯誤的用戶進(jìn)程對此不會有絲毫察覺，一切都在不知不覺中進(jìn)行。
文件I/O
文件系統(tǒng)把一連串大小一致的數(shù)據(jù)塊組織到一起。有些塊存儲元信息，如空閑塊、目錄、索引等的映射，有些包含文件數(shù)據(jù)。單個文件的元信息描述了哪些塊包含文件數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)在哪里結(jié)束、最后一次更新是什么時候，等等。
采用分頁技術(shù)的操作系統(tǒng)執(zhí)行I/O的全過程可總結(jié)為如下步驟：
確定請求的數(shù)據(jù)分布在文件系統(tǒng)的哪些頁（磁盤扇區(qū)組）。磁盤上的文件內(nèi)容和元數(shù)據(jù)可能跨越多個文件系統(tǒng)頁，而且這些頁可能也不連續(xù)。
在內(nèi)核空間分配足夠數(shù)量的內(nèi)存頁，以容納得到確定的文件系統(tǒng)頁。
在內(nèi)存頁與磁盤上的文件系統(tǒng)頁之間建立映射。
為每一個內(nèi)存頁產(chǎn)生頁錯誤。
虛擬內(nèi)存系統(tǒng)俘獲頁錯誤，安排頁面調(diào)入，從磁盤上讀取頁內(nèi)容，使頁有效。
一旦頁面調(diào)入操作完成，文件系統(tǒng)即對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，取得所需文件內(nèi)容或?qū)傩孕畔ⅰ?br>
文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)也會進(jìn)行高速緩存，大多數(shù)操作系統(tǒng)假設(shè)進(jìn)程會繼續(xù)讀取文件剩余部分，因而會預(yù)讀額外的文件系統(tǒng)頁。
類似的步驟在寫文件數(shù)據(jù)時也會采用。這時，文件內(nèi)容的改變（通過write( )）將導(dǎo)致文件系統(tǒng)頁變臟，隨后通過頁面調(diào)出，與磁盤上的文件內(nèi)容保持同步。文件的創(chuàng)建方式是，先把文件映射到空閑文件系統(tǒng)頁，在隨后的寫操作中，再將文件系統(tǒng)頁刷新到磁盤。
內(nèi)存映射文件
內(nèi)存映射 I/O 使用文件系統(tǒng)建立從用戶空間直到可用文件系統(tǒng)頁的虛擬內(nèi)存映射。好處有：
用戶進(jìn)程把文件數(shù)據(jù)當(dāng)作內(nèi)存，所以無需發(fā)布 read( ) 或write( ) 系統(tǒng)調(diào)用。
當(dāng)用戶進(jìn)程碰觸到映射內(nèi)存空間，頁錯誤會自動產(chǎn)生，從而將文件數(shù)據(jù)從磁盤讀進(jìn)內(nèi)存。如果用戶修改了映射內(nèi)存空間，相關(guān)頁會自動標(biāo)記為臟，隨后刷新到磁盤，文件得到更新。
操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存子系統(tǒng)會對頁進(jìn)行智能高速緩存，自動根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行內(nèi)存管理。
數(shù)據(jù)總是按頁對齊的，無需執(zhí)行緩沖區(qū)拷貝。
大型文件使用映射，無需耗費大量內(nèi)存，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝。
如果數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是按頁對齊的，且大小是內(nèi)建頁大小的倍數(shù)，那么，對大多數(shù)操作系統(tǒng)而言，其處理效率會大幅提升。
文件鎖定
文件鎖定機制允許一個進(jìn)程阻止其他進(jìn)程存取某文件，或限制其存取方式。通常的用途是控制共享信息的更新方式，或用于事務(wù)隔離。在控制多個實體并行訪問共同資源方面，文件鎖定是必不可少的。
文件鎖定可以細(xì)致到單個字節(jié)。鎖定與特定文件相關(guān)，開始于文件的某個特定字節(jié)地址，包含特定數(shù)量的連續(xù)字節(jié)。這對于協(xié)調(diào)多個進(jìn)程互不影響地訪問文件不同區(qū)域，是至關(guān)重要的。
文件鎖定有兩種方式：共享的和獨占的。多個共享鎖可同時對同一文件區(qū)域發(fā)生作用；獨占鎖則不同，它要求相關(guān)區(qū)域不能有其他鎖定在起作用。
流I/O
流I/O模仿了通道，必須順序存取。
非塊模式：多數(shù)操作系統(tǒng)允許把流置于非塊模式，這樣，進(jìn)程可以查看流上是否有輸入，這使得進(jìn)程可以在有輸入的時候進(jìn)行處理，輸入流閑置時執(zhí)行其他功能。
就緒性選擇：就緒性選擇與非塊模式類似，但是把查看流是否就緒的任務(wù)交給了操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)受命查看一序列流，并提醒進(jìn)程哪些流已經(jīng)就緒。憑借操作系統(tǒng)返回的就緒信息，進(jìn)程就可以使用相同代碼和單一線程，實現(xiàn)多活動流的多路傳輸。
