IO操作底層調用過程|內核|中斷|

做后端的程序員都知道我們編寫的程序主要分方法程序和IO操作程序。
有什么不一樣呢？
方法程序就不多說了。IO程序有什么不同呢？IO操作指的是對硬件設備操作，比如鍵盤、鼠標、網卡、顯卡…
那又有什么區別呢？

那就得說說系統調用
先看下面簡單的一個圖，cpu主要從內存拉取數據執行，將返回結果返回給內存，是我們程序的執行過程（今天重點不是這）

我們的程序分為 系統程序kernel（內核程序，操作系統自帶的程序） 和 用戶程序（app之類的我們自己放在系統程序）。
系統程序kernel和 用戶程序 都是程序。

系統啟動之前兩者都是存在磁盤中、系統啟動啟動之后先調用內核程序操作系統相關程序比如：用戶登錄等，完成系統啟動。
此時內程序會執行在內核空間中，用戶程序執行時候是在用戶空間中

那么問題來了，為什么分內核和用戶空間呢？內核空間有什么用？
內核空間是用來給執行系統程序，操作系統硬件程序，并且給用戶程序提供操作設備的方法調用，比如調用系統的IO設備啥的。

但是！！！！！
系統程序執行的時候會開啟保護模式GDT** 。

用戶程序在用戶空間執行，他是訪問不了內核空間的數據的，只能訪問用戶空間數據（因為被保護了），而內核程序執行時可以調用整個內存空間的數據的（可以理解為特權，后面就知道為什么了）。
那為什么要這樣呢？
可以理解，內核程序是用來操作系統的程序，如果能被用戶程序訪問，那操作系統很容易就被惡意破壞了。

那么問題（老伙伴）它又來了，明明我們程序里面是可以操作IO的啊，怎么說不能呢？而且用戶程序都不能訪問內核空間咋調用內核程序操作IO呢？

這就是神奇的地方了！！！
在這之前得知道一個知識，相比大家都知道cpu切換，多線程的時候大家都知道cpu會在各個線程里面來回切換，保證線程都能被執行…

那是怎么做的呢？
CPU內部有一個硬件叫做晶振器，他是由直流電進，出來的時候，會產生震動（簡單這么理解），
每次震動的時候，會讓CPU產生時鐘中斷。
怎么理解中斷：CPU停止當前線程的執行，此時將執行信息保存在寄存器中，資源還給內存（保護現場)。
上面這個過程是CPU多線程切換的原理，不僅晶振器可以中斷cpu，io操作也可以中斷。。。。

在內核程序開始進入內存的時候，會有一個表IDT(中斷表) 來記錄中斷的號碼和對應的回調函數記錄當前執行的程序。而這個表是放在內核程序里面的。（重點）

現在回過頭來說說為什么用戶這邊能通過內核程序調用系統IO?
剛才說了不僅時鐘中斷可以中斷CPU，IO操作也會中斷CPU
比如：程序中執行System.out.print的時候最終會被編譯成 write（）+ INT0x80 ,這個write方法就是內核程序讓顯卡打印的程序，INT0x80 是讓CPU中斷的指令。（！！！轉折點）

神奇的過程！！！！
用戶程序在執行 System.out.print 之后 等于 最終執行了 write（）+ INT0x80 ，當執行到INT0x80的時候，啪 ！ CPU被中斷了，這個時候CPU就要保存現場，然后把當前執行的程序也就是write（） 作為參數放到回調函數里面放到IDT表，保存起來。（記住IDT表是放在內核程序里面的），下一次CPU需要繼續執行這個方法時，怎么著？它得沖IDT去調用 回調函數啊，正好執行了write(
)方法（完成了IO操作）。

以上就是IO操作的一個用戶態（用戶程序執行時，用戶空間的狀態）切換成內核態（用戶程序執行時，內核空間的狀態）的過程。

總結：

宏觀上說，用戶程序調用IO設備時，是需要內核程序調用的，所以上面說到了內核程序的作用：向下操作系統設備，向上提供操作設備方法，目的輕量化用戶程序，包攬系統調用操作，用戶程序不需要再自己寫底層調用設備程序。

用戶態切換內核態需要消耗時間，開銷大。所以用戶程序頻發的調用IO會有性能損耗。比如BIO模型中，利用每一個線程對應一個連接，會讓cpu來回調度，每次調度就是一次內核態切換，消耗性能。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的IO操作底层调用过程 | 用户态切换内核态原理 | 中断概念的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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