前言

　　Java I/O功能封裝的很好，使用起來很方便，就是剛開始學的時候，如果不了解裝飾器模式，會被他繁多的類給嚇到。用多了也就習慣了，而且現在有很多實用的封裝良好的實用類，可直接讀寫整個文件。開發者不知道底層實現細節，也可以靈活使用，這是封裝的一大優點。但是，作為一名軟件開發人員，對其所使用的代碼不能僅僅停留在熟悉功能特性上，最好對其實現原理也要有一定了解。

註：本文引用了部分外文內容，並根據自己的理解進行了翻譯，連接將在文末貼出。

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緩沖處理、內核空間vs用戶空間

　　緩沖，以及如何處理緩沖是所有IO的基本內容。術語"I/O"（輸入輸出）指的不過就是從緩沖區移入或移除數據。通常，進程執行I/O操作的方式是，向操作系統發送請求，請求其填充自己的緩沖區（或者把自己緩沖區的內容寫出）。這就是I/O這個概念的全部內容。要實現這些傳輸操作，操作系統底層的實現非常復雜。但是在概念上，本文所要講述的內容則非常直白。

　　註意：User space和Kernel space 都屬於內存。內存分為兩個區，用戶區和系統區（內核區）。

　　上圖簡要展示了，塊數據如何從外部源頭（比如硬盤）移入到進程的內存空間的過程。首先，這個進程通過系統調用read()，請求填充自己的緩沖區。這將導致內核發送一個命令到磁盤控制器，使其從磁盤中抓取數據。磁盤控制器通過DMA把數據直接寫入到內核空間緩沖區，這個過程不需要CPU幹預。一旦磁盤控制器完成了填充數據的任務，內核就將數據從內核空間的臨時緩沖區轉移到進程指定的緩沖區內。

　　有一件事需要註意，內核會試圖緩沖或者說預加載一些數據，所以有可能進程所請求的數據已經在內核空間裏了。如果這樣的話，進程請求的數據，只需要從內核緩沖區拷貝一份即可。如果數據不在內核空間內，則在內核獲取數據到內存的過程中，此進程將被掛起。

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從上述內容可知：

• Java的讀寫操作，底層由C/C++實現。而不是直接與OS接觸
• C/C++讀寫操作，需要OS服務
• 內核自帶緩沖，會過分加載
• 如果內存中沒有數據的緩沖，讀寫操作將阻塞當前線程（OS會幫你掛起線程）

DMA

　　DMA（Direct Memory Access，直接內存存取）是I/O設備控制方式的一種。我個人認為它們的主要差別在於CPU的參與I/O控制的程度

I/O設備控制方式有：

• 程序I/O方式——CPU需反復檢查
• 中斷I/O方式——每完成一個字節的讀寫，通知CPU
• DMA方式——每完成一個塊(多字節)的讀寫，通知CPU
• I/O通道方式（暫不了解）

在DMA讀寫I/O設備的時候，CPU不會被影響，它可以繼續執行。註意！這裏能繼續執行，指的是CPU可以繼續運行，而此I/O操作的線程已經被掛起，不參與CPU調度。I/O操作完成後，該線程才被喚醒，參與調度（加入就緒隊列，等待時間片）

系統調用

　　系統調用是應用程序間接調用OS函數的方式。C語言有提供與系統調用相對應的庫函數。這裏就是read、write。　

BufferedXXStream

　　註意，對於Java來說，系統調用的開銷是比較大的。首先讀寫操作要觸發的是本地方法read0，readBytes，write0，writeBytes，這裏JNI需要一定開銷。還有就是每產生一個系統調用，就可能產生上千個機器指令，這種開銷是不容小覷的。所以，我們要嘗試減少系統調用。那有人就會問了，不行啊，我數據又不能缺斤少兩，少讀少寫肯定出問題，怎麽減少調用？這不是很好解決嗎，每次多讀寫一點，調用的次數不就少了嘛。而BufferedXXStream就是這麽用的，例如，BufferedInputStream的read無參方法只讀取一個字節，而實際上BufferedInputStream默認讀取了8kb，這些數據用字節數組保留。

　 對了，如果對上圖，不是很理解，可以看看這張。

　　 即運行時，有一個對象BufferedInputStream，其調用一次read()方法，數據保留到buf數組中。

參考文獻　　

How Java I/O Works Internally at Lower Level?（需FQ）

【雜談】Java I/O的底層實現