深入分析Java I/O的工作机制 （二）

2.磁盘I/C工作机制

2.1几种访问文件的方式

内核空间和用户空间：内核空间是内核使用，用户空间是应用程序使用；除非编译内核要考虑内核空间，其余情况都可以按照用户空间处理。将用户空间和内核空间置于这种非对称访问机制下有很好的安全性。

读取和写入文件I/O操作都调用系统提供的接口，因为磁盘设备是由操作系统管理的，应用程序要访问物理设备只能通过系统调用的方式来工作。读和写分别对应read和write两个系统调用。而只要是系统调用就可能存在内核空间地址和用户空间地址切换的问题，这是操作系统为了保护系统本身的运行安全，而将内核程序运行使用的内存空间和和用户程序运行的内存空间进行隔离造成的。但是这样虽然保证了内核程序运行的安全性，但是也必然存在数据可能需要从内核空间向用户空间复制的问题。

如果遇到非常耗时的操作，如磁盘I/O，数据从磁盘复制到内核空间，然后又从内核空间复制到用户空间，将会非常缓慢。这时操作系统为了加速I/O访问，在内核空间使用缓存机制，就是将从磁盘读取的文件按照一定的组织方式进行缓存，如果用户程序访问的是同一段磁盘地址的空间数据，那么操作系统将从内核缓存中直接取出返回给用户程序，这样可以减小I/O的响应时间。

2.1.1标准访问文件的方式

标准访问文件的方式就是当应用程序调用了read()接口时，操作系统检查在内核的高速缓存中有没有需要的数据，如果已经缓存了，直接从缓存中返回，如果没有，则从磁盘中读取，然后缓存在操作系统的缓存中。

写入的方式是，用户的应用程序调用write()接口将数据从用户地址空间复制到内核地址空间中。这时对用户程序来说写操作就已经完成了，至于什么时候再写到磁盘中由操作系统决定，除非显式的调用sync同步命令。

标准访问文件的方式如图：

2.1.2直接I/O的方式

所谓的直接I/O的方式就是应用程序直接访问磁盘数据，而不经过操作系统内核数据缓冲区，这样做的目的就是减少一次从内核缓冲区到用户程序缓存的数据复制。这种访问文件的方式通常是在对数据的缓存管理由应用程序实现的数据库管理系统中。如在数据库管理系统中，系统明确的知道应该缓存那些数据，应该失效那些数据，还可以对一些热点数据做预热加载，提前将热点数据加载到内存，可以加速数据的访问效率。在这些情况下，如果是由操作系统进行缓存，则很难做到，因为操作系统并不知道那些事热点数据，那些数据可能只会访问一次就不会再访问，操作系统只是简单的缓存最近一次从磁盘读取的数据，但是直接I/O也有负面影响，如果访问的数据不在应用程序缓存中，那么每次数据都会直接从磁盘进行加载，这种直接加载会非常缓慢。通常直接I/O与异步I/O结合使用，会得到比较好的性能。

直接I/O的方式如图：

2.1.3同步访问文件的方式

同步访问文件方式的特点：效率低，安全性高。

同步访问文件的方式比较容易理解，就是数据的读取和写入都是同步操作的，它与标准访问文件的方式不同的是，只有当数据被成功写入到磁盘时才返回给应用程序成功的标志，

这种访问文件的方式性能比较差，只有在一些对数据安全性要求比较高的场景中才会使用，而且通常这种操作方式的硬件都是定制的。

2.1.4异步访问文件的方式

异步访问文件方式的特点：效率高，性能快。

异步访问文件的方式就是当访问数据的线程发出请求之后，线程会接着去处理其他事情，而不是堵塞等待，当请求的数据返回后继续处理下面的操作。这种访问文件的方式可以明显的提高应用程序的效率，但是不会改变访问文件的效率。

2.1.5内存映射的方式

内存映射的方式是指操作系统将内存中的某一块区域与磁盘中的文件关联起来，当要访问内存中的一段数据时，转换为访问文件的某一段数据。这种方式的目的同样是减少数据从内核空间缓存到用户空间缓存的数据复制操作，因为这两个空间的数据是共享的。

内存映射的方式如图：

2.2java访问磁盘文件

数据在磁盘中的唯一最小描述就是文件，也就是说上层应用程序只能通过文件来操作磁盘上的数据，文件也是操作系统和磁盘驱动器交互的最小单元。值得注意的是，在java中通常File并不代表一个真实存在的对象，当你指定一个路径描述符时，他就会返回一个代表这个路径的虚拟对象，这个可能是一个真实存在的文件或者是一个包含对个文件的目录。