I/O的相關概念

1、I/O

I/O即Input和Output，用戶進程執行I/O操作，歸結起來，也就是向操作系統發出請求，讀請求就把數據填到緩沖區里，寫數據就把緩沖區里數據排干，目的地可以是磁盤也可以是其他通道。進程通過這種方式處理所有數據的讀寫。
I/O可以分為廣義的兩大類別：File I/O和Stream I/O。
所以了解緩沖區，以及緩沖區如何工作，是所有I/O的基礎。

2、緩沖區

緩沖區可以被看作是一塊真實物理內存中的區域，用于臨時存儲數據。
讀取時數據先進入緩沖區，寫入時數據先從緩沖區發出。它能減少頻繁的磁盤操作，提高效率。
因為直接操作內存比操作磁盤要快的多。

3、用戶空間、內核空間、磁盤

下圖是 用戶進程讀磁盤數據的流程。

可以看到數據要先被讀取到內核空間緩沖區、再復制到用戶空間緩沖區這樣程序才能看得到數據。

把數據從內核空間拷貝到用戶空間似乎有些多余。為什么不直接讓磁盤控制器把數據送到用戶空間的緩沖區呢？
這樣做有幾個問題。
首先，硬件通常不能直接訪問用戶空間。
其次，像磁盤這樣基于塊存儲的硬件設備操作的是固定大小的數據塊，而用戶進程請求的可能是任意大小的字節或非對齊的數據塊。
在數據往來于用戶空間與存儲設備的過程中，內核負責數據的分解、再組合工作，因此充當著中間人的角色。

操作系統為什么要分為 用戶空間和內核空間？

主要是為了 安全性、穩定性 和 效率。
用戶空間（User Space）：程序員寫的應用程序運行的空間，比如我們寫的 Java、Python、C 程序。
內核空間（Kernel Space）：操作系統的核心部分（內核）運行的空間，包括內存管理、文件系統、網絡協議、硬件控制等功能。

舉個例子：
如果不分開，任何程序都能訪問內核資源，那系統崩潰或被攻擊就太容易了。
用戶程序 不能直接操作硬件，只能通過系統調用讓內核代為處理。如果不加限制，一個有 bug 或惡意的程序可能會改亂內存、讀寫設備、破壞系統。

4、虛擬內存

虛擬內存要和 物理內存的swap交換空間區分開。

概念	本質	位置	作用
虛擬內存（Virtual Memory）	一種地址映射機制（虛擬地址 → 物理地址）	CPU 看到的是虛擬地址	把程序運行時看到的內存空間抽象成一個連續的大空間
Swap（交換空間）	硬盤上的一塊區域	磁盤	當物理內存不夠用時，把一部分內存內容臨時“換出去”

虛擬內存可以大致理解為是給程序看的 大塊連續地址空間（假的，操作系統管理的）。

所有現代操作系統都使用虛擬內存。
虛擬內存意為使用虛假（或虛擬）地址取代物理（硬件RAM）內存地址。
這樣做好處頗多，總結起來可分為兩大類：
1.一個以上的虛擬地址可指向同一個物理內存地址。
2.虛擬內存空間可大于實際可用的硬件內存。

上面圖片中讀取流程、設備控制器不能通過DMA直接存儲到用戶空間，但通過利用多個虛擬地址映射同一個物理地址，則可以達到相同效果。把內核空間地址與用戶空間的虛擬地址映射到同一個物理地址，這樣，DMA硬件（只能訪問物理內存地址）就可以填充對內核與用戶空間進程同時可見的緩沖區

5、分頁技術

分頁（paging）是一種虛擬內存的實現機制。它的核心含義是：
將虛擬地址空間劃分成固定大小的“頁”（page），而物理內存同樣劃分為“頁框”（page frame），通過頁表把虛擬頁映射到物理頁框。
換句話說：分頁是一種地址映射策略。

虛擬內存 = 看起來比你實際內存多得多的“假內存”。
但你電腦真的只有 8G 內存怎么辦？裝不下了！
當物理內存不夠用時，操作系統會將某些不活躍的頁臨時存放到磁盤中（swap），等需要時再調回，這個過程叫做頁置換（page replacement），是基于分頁機制實現的。

6、文件I/O和流I/O

特性	文件 I/O	流 I/O
操作對象	文件	任意數據流（文件、網絡、內存、管道）
訪問方式	支持隨機訪問（seek）	只能順序訪問
抽象層次	底層字節塊操作	高層數據抽象（可以處理字符、對象）
使用場景	本地文件操作	更廣泛：網絡、IO管道、系統輸入輸出等

Java中的IO、NIO

參考下面兩篇博客
IO
https://blog.csdn.net/qq_37883866/article/details/140047819
NIO
https://blog.csdn.net/qq_37883866/article/details/140047866