有趣的操作系统：文件IO和网络IO

一、从i/o开始 在学习和使用计算机的过程中，i/o（输入/输出）是不可避免的一个概念，指的是操作、程序或设备与计算机之间发生的数据传输过程。

对于计算机来说，I/O操作和计算处理是其两大核心任务，其中大部分时间都用于执行I/O操作。I/O操作包括硬件和软件两部分，即I/O设备和I/O子系统。

I/O设备 随着时间推移，I/O设备的种类变得越来越多，根据其功能（或工作方式）可以分为以下几类：

存储设备 : 也称为块设备，这类设备以固定大小的块存储信息，每个块都有自己的地址，且可以独立读写。常见的存储设备包括磁盘和磁带。传输设备 : 也称为网络通信设备，用于与远程设备通信，常见的有网卡和Modem。人机交互设备 : 也称为字符设备，以字符为单位传输信息。常见的字符设备有屏幕、键盘和鼠标，这些设备直接面向用户，允许用户与计算机交互，因此被称为人机交互设备。特殊设备 : 除了上述三种设备之外的其他进行I/O传输的设备都归为特殊设备。可以看到，I/O设备种类繁多，差异显著。为了隐藏底层设备的差异和细节，同时标准化硬件和软件接口，操作系统内核设计使用了设备驱动程序模块。设备驱动程序为I/O子系统提供统一的设备访问接口，类似于系统调用为应用程序与操作系统之间提供统一的标准接口。但需要注意的是，I/O设备和设备驱动程序之间的通信是通过硬件接口（端口）完成的，这需要软硬件的共同协作。

I/O子系统 即使硬件再先进，如果没有相应的软件进行控制管理，其提供的服务也无法实现。正如上文所述，对计算机连接的设备（I/O设备）的控制是操作系统的主要任务之一，这些控制方法的集合构成了I/O子系统。

随着I/O设备的发展，设备种类越来越多，如果没有标准的、抽象的I/O操作接口，新类型的I/O设备很难接入操作系统。为了屏蔽底层硬件设备的差异和细节，操作系统通过设备驱动程序抽象并统一了设备的访问接口，具体实现由硬件设备的厂商完成。（可以看到，面向抽象编程的思想很早就被应用）

讨论完I/O的一些基本概念后，我们来看一下在日常开发中经常遇到的两个概念：文件I/O和网络I/O。

二、文件I/O 我们将要讨论的文件I/O概念更多是指软件层面，即操作系统层面。为了方便用户或开发人员使用由外设提供的数据信息，操作系统对存储设备的各种属性进行了抽象，从而定义了逻辑存储单元（文件），并将文件映射到物理设备上。需要注意的是，文件的概念不仅适用于存储设备，还适用于其他I/O设备，区别在于文件类型和操作系统对这两种不同类型文件的操作。这也验证了Linux中的一句话：“一切皆文件”。（这里再次体现了面向对象的设计理念）我们这里仅讨论与存储设备相关的文件I/O概念。

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从上图可以看出，如果一个应用程序想要发起文件I/O请求，需要通过操作系统中的文件系统来完成对应的I/O操作。如上所述，操作系统提供给用户可以操作的逻辑存储单元是文件（在UNIX环境中使用了文件描述符这一概念），这个可操作的文件对象包含了实际被操作对象的基本属性，操作系统将其抽象为文件属性，如名称、标识符、类型、位置、大小、保护、用户标识以及时间等信息。针对文件这一抽象数据类型，文件系统提供了创建、写入、读取、定位、删除和截断等系统调用。

如果我们将文件I/O的概念进一步限定在Linux环境中，可以称之为低级磁盘I/O，任何兼容POSIX标准的操作系统都能支持文件I/O。同时，文件I/O能够访问存储设备中不同类型的文件，但访问文件时不会通过缓冲区，而是直接通过系统调用访问相应资源。

三、网络I/O 我们日常讨论的网络通信本质上就是网络I/O，通过网络I/O，我们可以与远程设备进行通信（数据交换）。由于网络I/O和普通的磁盘I/O在性能和访问方式上存在显著差异，因此针对磁盘I/O的读写方法不适用于网络I/O。大多数操作系统针对网络I/O抽象出了一套特殊的接口——网络Socket接口，用于对网络I/O进行操作。当然，如上所述，在Linux中“一切皆文件”，为了统一概念，Socket在Linux中也是通过文件描述符来描述的，只不过这个文件描述符描述的不是本地文件，而是远程设备对应的文件。

由于网络通信存在不可预测的问题，因此产生了多种I/O模型，这些I/O模型本质上是客户端（或服务消费者）对网络I/O请求的处理方式。由于网络上这类资料非常丰富，这里就不详细描述了。

四、总结 从大的概念来看，文件I/O和网络I/O本质上都是对资源的访问，只不过一个是本地设备，一个是远程设备。但从访问方式和性能上来看，文件I/O和网络I/O在I/O接口和系统调用上存在显著差异。

以上就是有趣的操作系统：文件IO和网络IO的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！