IO基础：用户空间与内核空间详解

IO基础：用户空间与内核空间详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/beyondfengyu/article/details/107560827

在计算机系统中，输入输出（IO）操作是程序与外部设备进行数据交换的重要方式。为了更好地理解程序中的IO操作，本文将从计算机的组成、用户空间与内核空间的概念，以及网络访问文件的IO过程三个方面进行深入讲解。

1. 计算机的组成

现代计算机主要由硬件和操作系统组成，操作系统通过内核与硬件进行交互。操作系统可以划分为内核和应用两部分，其中内核提供进程管理、内存管理、网络等底层功能，并封装了与硬件交互的接口，通过系统调用为上层应用提供服务。

2. 用户空间与内核空间

为了保护系统安全，操作系统将内存空间划分为内核空间和用户空间两部分。当进程运行在内核空间时，处于内核态；运行在用户空间时，则处于用户态。进行IO操作（如读写硬盘文件、读写网卡数据）时，进程需要切换到内核态。从内核态到用户态，或从用户态到内核态的切换，都需要进行上下文切换。通常情况下，应用不能直接操作内核空间的数据，需要将内核态的数据拷贝到用户空间才能进行操作。

3. IO示例

以一个网络请求访问服务器静态文件为例，具体IO流程如下：

1. 进程发起系统调用sys_read，读取磁盘文件；
2. DMA（直接存储器访问）将磁盘文件数据拷贝到内核空间的read缓冲区；
3. CPU将内核空间read缓冲区数据拷贝到用户空间缓冲区；
4. 进程发起系统调用socket_write，向网卡写数据；
5. CPU将用户空间缓冲区数据拷贝到内核空间的socket缓冲区；
6. 最后DMA将内核空间socket缓冲区数据拷贝到网卡。

整个过程涉及四次数据拷贝和四次上下文切换，效率较低。为提高IO效率，可以采用零拷贝技术来减少数据拷贝次数。

DMA（直接存储器访问）是一个辅助CPU进行硬件访问的芯片，在内存与IO设备数据传输时，不需要CPU控制，可以直接通过DMA进行。