后端开发的关键技术与挑战

1. 混淆的IO概念

IO 是输入和输出的缩写。广义上讲，计算机周围有很多输入输出功能：鼠标、键盘、扫描仪等。我们今天要讨论的是计算机中的输入输出操作，主要作用于内存、网卡、硬盘等硬件设备。

说到IO模型，大多数人脑子里肯定有很多困惑，“阻塞”、“非阻塞”、“同步”、“异步”到底有什么区别？很多同学分不清其中的区别，有的试图搜索相关资料探个究竟，却淹没在茫茫的概念之中。

这里我尝试简单解释一下为什么会出现这种现象，其中一个重要原因是大家看到的资料对概念的解释角度不同，有的是从底层内核的角度，有的则直接在Java层面或者Netty框架层面给大家介绍API，给大家造成了一定程度的困惑。

那么在开始之前，我先说一下这篇文章的视角，我们会从最底层的内核层面来讲解IO。因为不管怎么变，本质还是不变的，只有理解了底层的原理，无论语言层面多么花哨，我们才能在一切变化面前保持不变。

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为了帮助大家理解复杂的IO和零拷贝相关技术，我们还是得花些时间复习一下操作系统相关的知识。这一节我们会重点讲解用户空间和内核空间，以此为基础后面才能更好地讲解复用和零拷贝。

硬件

包括我们熟悉的、与IO相关的CPU、内存、磁盘和网卡硬件；

内核空间

当计算机开机时，首先会运行内核程序，内核程序占用一个私有空间，称为内核空间，这个空间可以支持对CPU所有指令集（ring0-ring3）以及所有内存空间、IO和硬件设备的访问。

用户空间

每个普通用户进程都有独立的用户空间，只能访问受限制的资源（CPU“保护模式”），也就是说用户空间不能直接操作内存、网卡、磁盘等硬件；

正如上面所说，我们可能会有疑问，用户空间进程如果要访问或者操作磁盘、网卡的话，该怎么办呢？

为此，操作系统在内核开辟了一个唯一且合法的调用入口“系统调用接口”，也就是我们常说的系统调用。系统调用给上层用户提供了一组可以操作底层硬件的API。这样，用户进程就可以通过系统调用访问操作系统内核，进而间接完成对底层硬件的操作。这个访问过程也就是从用户态到内核态的切换。常见的系统调用有很多，比如：内存映射 mmap()、文件操作类 open()、IO读写 read()、write() 等。

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