怎么理解I/O的原理

這期內(nèi)容當中小編將會給大家?guī)碛嘘P(guān) 怎么理解I/O的原理，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

1.IO 軟件原理

I/O 軟件目標

設(shè)備獨立性

現(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)向?qū)?I/O 軟件的研究，I/O 軟件設(shè)計一個很重要的目標就是設(shè)備獨立性(device  independence)。啥意思呢?這意味著我們能夠編寫訪問任何設(shè)備的應(yīng)用程序，而不用事先指定特定的設(shè)備。比如你編寫了一個能夠從設(shè)備讀入文件的應(yīng)用程序，那么這個應(yīng)用程序可以從硬盤、DVD  或者 USB 進行讀入，不必再為每個設(shè)備定制應(yīng)用程序。這其實就體現(xiàn)了設(shè)備獨立性的概念。

再比如說你可以輸入一條下面的指令

sort 輸入 輸出

那么上面這個 輸入 就可以接收來自任意類型的磁盤或者鍵盤，并且 輸出 可以寫入到任意類型的磁盤或者屏幕。

計算機操作系統(tǒng)是這些硬件的媒介，因為不同硬件它們的指令序列不同，所以需要操作系統(tǒng)來做指令間的轉(zhuǎn)換。

與設(shè)備獨立性密切相關(guān)的一個指標就是統(tǒng)一命名(uniform naming)。設(shè)備的代號應(yīng)該是一個整數(shù)或者是字符串，它們不應(yīng)該依賴于具體的設(shè)備。在 UNIX  中，所有的磁盤都能夠被集成到文件系統(tǒng)中，所以用戶不用記住每個設(shè)備的具體名稱，直接記住對應(yīng)的路徑即可，如果路徑記不住，也可以通過 ls  等指令找到具體的集成位置。舉個例子來說，比如一個 USB 磁盤被掛載到了 /usr/cxuan/backup 下，那么你把文件復(fù)制到  /usr/cxuan/backup/device  下，就相當于是把文件復(fù)制到了磁盤中，通過這種方式，實現(xiàn)了向任何磁盤寫入文件都相當于是向指定的路徑輸出文件。

錯誤處理

除了設(shè)備獨立性外，I/O 軟件實現(xiàn)的第二個重要的目標就是錯誤處理(error  handling)。通常情況下來說，錯誤應(yīng)該交給硬件層面去處理。如果設(shè)備控制器發(fā)現(xiàn)了讀錯誤的話，它會盡可能的去修復(fù)這個錯誤。如果設(shè)備控制器處理不了這個問題，那么設(shè)備驅(qū)動程序應(yīng)該進行處理，設(shè)備驅(qū)動程序會再次嘗試讀取操作，很多錯誤都是偶然性的，如果設(shè)備驅(qū)動程序無法處理這個錯誤，才會把錯誤向上拋到硬件層面(上層)進行處理，很多時候，上層并不需要知道下層是如何解決錯誤的。這就很像項目經(jīng)理不用把每個決定都告訴老板;程序員不用把每行代碼如何寫告訴項目經(jīng)理。這種處理方式不夠透明。

同步和異步傳輸

I/O 軟件實現(xiàn)的第三個目標就是 同步(synchronous) 和  異步(asynchronous，即中斷驅(qū)動)傳輸。這里先說一下同步和異步是怎么回事吧。

同步傳輸中數(shù)據(jù)通常以塊或幀的形式發(fā)送。發(fā)送方和接收方在數(shù)據(jù)傳輸之前應(yīng)該具有同步時鐘。而在異步傳輸中，數(shù)據(jù)通常以字節(jié)或者字符的形式發(fā)送，異步傳輸則不需要同步時鐘，但是會在傳輸之前向數(shù)據(jù)添加奇偶校驗位。下面是同步和異步的主要區(qū)別

回到正題。大部分物理IO(physical I/O) 是異步的。物理 I/O 中的 CPU 是很聰明的，CPU  傳輸完成后會轉(zhuǎn)而做其他事情，它和中斷心靈相通，等到中斷發(fā)生后，CPU 才會回到傳輸這件事情上來。

I/O 分為兩種：物理I/O 和 邏輯I/O(Logical I/O)。

物理 I/O 通常是從磁盤等存儲設(shè)備實際獲取數(shù)據(jù)。邏輯 I/O 是對存儲器(塊，緩沖區(qū))獲取數(shù)據(jù)。

緩沖

I/O  軟件的最后一個問題是緩沖(buffering)。通常情況下，從一個設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)不會直接到達最后的設(shè)備。其間會經(jīng)過一系列的校驗、檢查、緩沖等操作才能到達。舉個例子來說，從網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，會經(jīng)過一系列檢查之后首先到達緩沖區(qū)，從而消除緩沖區(qū)填滿速率和緩沖區(qū)過載。

共享和獨占

I/O 軟件引起的最后一個問題就是共享設(shè)備和獨占設(shè)備的問題。有些 I/O  設(shè)備能夠被許多用戶共同使用。一些設(shè)備比如磁盤，讓多個用戶使用一般不會產(chǎn)生什么問題，但是某些設(shè)備必須具有獨占性，即只允許單個用戶使用完成后才能讓其他用戶使用。

下面，我們來探討一下如何使用程序來控制 I/O 設(shè)備。一共有三種控制 I/O 設(shè)備的方法

• 使用程序控制 I/O

• 使用中斷驅(qū)動 I/O

• 使用 DMA 驅(qū)動 I/O

使用程序控制 I/O

使用程序控制 I/O 又被稱為 可編程I/O，它是指由 CPU 在驅(qū)動程序軟件控制下啟動的數(shù)據(jù)傳輸，來訪問設(shè)備上的寄存器或者其他存儲器。CPU  會發(fā)出命令，然后等待 I/O 操作的完成。由于 CPU 的速度比 I/O 模塊的速度快很多，因此可編程 I/O 的問題在于，CPU  必須等待很長時間才能等到處理結(jié)果。CPU 在等待時會采用輪詢(polling)或者 忙等(busy waiting)  的方式，結(jié)果，整個系統(tǒng)的性能被嚴重拉低。可編程 I/O 十分簡單，如果需要等待的時間非常短的話，可編程 I/O 倒是一個很好的方式。一個可編程的 I/O  會經(jīng)歷如下操作

• CPU 請求 I/O 操作

• I/O 模塊執(zhí)行響應(yīng)

• I/O 模塊設(shè)置狀態(tài)位

• CPU 會定期檢查狀態(tài)位

• I/O 不會直接通知 CPU 操作完成

• I/O 也不會中斷 CPU

• CPU 可能會等待或在隨后的過程中返回

使用中斷驅(qū)動 I/O

鑒于上面可編程 I/O 的缺陷，我們提出一種改良方案，我們想要在 CPU 等待 I/O 設(shè)備的同時，能夠做其他事情，等到 I/O  設(shè)備完成后，它就會產(chǎn)生一個中斷，這個中斷會停止當前進程并保存當前的狀態(tài)。一個可能的示意圖如下

盡管中斷減輕了 CPU 和 I/O 設(shè)備的等待時間的負擔，但是由于還需要在 CPU 和 I/O  模塊之前進行大量的逐字傳輸，因此在大量數(shù)據(jù)傳輸中效率仍然很低。下面是中斷的基本操作

• CPU 進行讀取操作

• I/O 設(shè)備從外圍設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，同時 CPU 執(zhí)行其他操作

• I/O 設(shè)備中斷通知 CPU

• CPU 請求數(shù)據(jù)

• I/O 模塊傳輸數(shù)據(jù)

所以我們現(xiàn)在著手需要解決的就是 CPU 和 I/O 模塊間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蕟栴}。

使用 DMA 的 I/O

DMA 的中文名稱是直接內(nèi)存訪問，它意味著 CPU 授予 I/O 模塊權(quán)限在不涉及 CPU 的情況下讀取或?qū)懭雰?nèi)存。也就是 DMA 可以不需要 CPU  的參與。這個過程由稱為 DMA 控制器(DMAC)的芯片管理。由于 DMA 設(shè)備可以直接在內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)，而不是使用 CPU  作為中介，因此可以緩解總線上的擁塞。DMA 通過允許 CPU 執(zhí)行任務(wù)，同時 DMA 系統(tǒng)通過系統(tǒng)和內(nèi)存總線傳輸數(shù)據(jù)來提高系統(tǒng)并發(fā)性。

2.I/O 層次結(jié)構(gòu)

I/O 軟件通常組織成四個層次，它們的大致結(jié)構(gòu)如下圖所示

每一層和其上下層都有明確的功能和接口。下面我們采用和計算機網(wǎng)絡(luò)相反的套路，即自下而上的了解一下這些程序。

下面是另一幅圖，這幅圖顯示了輸入/輸出軟件系統(tǒng)所有層及其主要功能。

下面我們具體的來探討一下上面的層次結(jié)構(gòu)

中斷處理程序

在計算機系統(tǒng)中，中斷就像女人的脾氣一樣無時無刻都在產(chǎn)生，中斷的出現(xiàn)往往是讓人很不爽的。中斷處理程序又被稱為中斷服務(wù)程序 或者是 ISR(Interrupt  Service  Routines)，它是最靠近硬件的一層。中斷處理程序由硬件中斷、軟件中斷或者是軟件異常啟動產(chǎn)生的中斷，用于實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動程序或受保護的操作模式(例如系統(tǒng)調(diào)用)之間的轉(zhuǎn)換。

中斷處理程序負責處理中斷發(fā)生時的所有操作，操作完成后阻塞，然后啟動中斷驅(qū)動程序來解決阻塞。通常會有三種通知方式，依賴于不同的具體實現(xiàn)

• 信號量實現(xiàn)中：在信號量上使用 up 進行通知;

• 管程實現(xiàn)：對管程中的條件變量執(zhí)行 signal 操作

• 還有一些情況是發(fā)送一些消息

不管哪種方式都是為了讓阻塞的中斷處理程序恢復(fù)運行。

中斷處理方案有很多種，下面是 《ARM System Developer’s Guide

Designing and Optimizing System Software》列出來的一些方案

• 非嵌套的中斷處理程序按照順序處理各個中斷，非嵌套的中斷處理程序也是最簡單的中斷處理

• 嵌套的中斷處理程序會處理多個中斷而無需分配優(yōu)先級

• 可重入的中斷處理程序可使用優(yōu)先級處理多個中斷

• 簡單優(yōu)先級中斷處理程序可處理簡單的中斷

• 標準優(yōu)先級中斷處理程序比低優(yōu)先級的中斷處理程序在更短的時間能夠處理優(yōu)先級更高的中斷

• 高優(yōu)先級 中斷處理程序在短時間能夠處理優(yōu)先級更高的任務(wù)，并直接進入特定的服務(wù)例程。

• 優(yōu)先級分組中斷處理程序能夠處理不同優(yōu)先級的中斷任務(wù)

下面是一些通用的中斷處理程序的步驟，不同的操作系統(tǒng)實現(xiàn)細節(jié)不一樣

• 保存所有沒有被中斷硬件保存的寄存器

• 為中斷服務(wù)程序設(shè)置上下文環(huán)境，可能包括設(shè)置 TLB、MMU 和頁表，如果不太了解這三個概念，請參考另外一篇文章

• 為中斷服務(wù)程序設(shè)置棧

• 對中斷控制器作出響應(yīng)，如果不存在集中的中斷控制器，則繼續(xù)響應(yīng)中斷

• 把寄存器從保存它的地方拷貝到進程表中

• 運行中斷服務(wù)程序，它會從發(fā)出中斷的設(shè)備控制器的寄存器中提取信息

• 操作系統(tǒng)會選擇一個合適的進程來運行。如果中斷造成了一些優(yōu)先級更高的進程變?yōu)榫途w態(tài)，則選擇運行這些優(yōu)先級高的進程

• 為進程設(shè)置 MMU 上下文，可能也會需要 TLB，根據(jù)實際情況決定

• 加載進程的寄存器，包括 PSW 寄存器

• 開始運行新的進程

上面我們羅列了一些大致的中斷步驟，不同性質(zhì)的操作系統(tǒng)和中斷處理程序能夠處理的中斷步驟和細節(jié)也不盡相同，下面是一個嵌套中斷的具體運行步驟

設(shè)備驅(qū)動程序

在上面的文章中我們知道了設(shè)備控制器所做的工作。我們知道每個控制器其內(nèi)部都會有寄存器用來和設(shè)備進行溝通，發(fā)送指令，讀取設(shè)備的狀態(tài)等。

因此，每個連接到計算機的 I/O  設(shè)備都需要有某些特定設(shè)備的代碼對其進行控制，例如鼠標控制器需要從鼠標接受指令，告訴下一步應(yīng)該移動到哪里，鍵盤控制器需要知道哪個按鍵被按下等。這些提供 I/O  設(shè)備到設(shè)備控制器轉(zhuǎn)換的過程的代碼稱為設(shè)備驅(qū)動程序(Device driver)。

為了能夠訪問設(shè)備的硬件，實際上也就意味著，設(shè)備驅(qū)動程序通常是操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，至少現(xiàn)在的體系結(jié)構(gòu)是這樣的。但是也可以構(gòu)造用戶空間的設(shè)備驅(qū)動程序，通過系統(tǒng)調(diào)用來完成讀寫操作。這樣就避免了一個問題，有問題的驅(qū)動程序會干擾內(nèi)核，從而造成崩潰。所以，在用戶控件實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動程序是構(gòu)造系統(tǒng)穩(wěn)定性一個非常有用的措施。MINIX  3 就是這么做的。下面是 MINI 3 的調(diào)用過程

然而，大多數(shù)桌面操作系統(tǒng)要求驅(qū)動程序必須運行在內(nèi)核中。

操作系統(tǒng)通常會將驅(qū)動程序歸為 字符設(shè)備 和 塊設(shè)備，我們上面也介紹過了

在 UNIX 系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)是一個二進制程序，包含需要編譯到其內(nèi)部的所有驅(qū)動程序，如果你要對 UNIX  添加一個新設(shè)備，需要重新編譯內(nèi)核，將新的驅(qū)動程序裝到二進制程序中。

然而隨著大多數(shù)個人計算機的出現(xiàn)，由于 I/O 設(shè)備的廣泛應(yīng)用，上面這種靜態(tài)編譯的方式不再有效，因此，從 MS-DOS  開始，操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動程序在執(zhí)行期間動態(tài)的裝載到系統(tǒng)中。

設(shè)備驅(qū)動程序具有很多功能，比如接受讀寫請求，對設(shè)備進行初始化、管理電源和日志、對輸入?yún)?shù)進行有效性檢查等。

設(shè)備驅(qū)動程序接受到讀寫請求后，會檢查當前設(shè)備是否在使用，如果設(shè)備在使用，請求被排入隊列中，等待后續(xù)的處理。如果此時設(shè)備是空閑的，驅(qū)動程序會檢查硬件以了解請求是否能夠被處理。在傳輸開始前，會啟動設(shè)備或者馬達。等待設(shè)備就緒完成，再進行實際的控制?？刂圃O(shè)備就是對設(shè)備發(fā)出指令。

發(fā)出命令后，設(shè)備控制器便開始將它們寫入控制器的設(shè)備寄存器。在將每個命令寫入控制器后，會檢查控制器是否接受了這條命令并準備接受下一個命令。一般控制設(shè)備會發(fā)出一系列的指令，這稱為指令序列，設(shè)備控制器會依次檢查每個命令是否被接受，下一條指令是否能夠被接收，直到所有的序列發(fā)出為止。

發(fā)出指令后，一般會有兩種可能出現(xiàn)的情況。在大多數(shù)情況下，設(shè)備驅(qū)動程序會進行等待直到控制器完成它的事情。這里需要了解一下設(shè)備控制器的概念

設(shè)備控制器的主要主責是控制一個或多個 I/O 設(shè)備，以實現(xiàn) I/O 設(shè)備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換。

設(shè)備控制器接收從 CPU 發(fā)送過來的指令，繼而達到控制硬件的目的

設(shè)備控制器是一個可編址的設(shè)備，當它僅控制一個設(shè)備時，它只有一個唯一的設(shè)備地址;如果設(shè)備控制器控制多個可連接設(shè)備時，則應(yīng)含有多個設(shè)備地址，并使每一個設(shè)備地址對應(yīng)一個設(shè)備。

設(shè)備控制器主要分為兩種：字符設(shè)備和塊設(shè)備

設(shè)備控制器的主要功能有下面這些

• 接收和識別命令：設(shè)備控制器可以接受來自 CPU 的指令，并進行識別。設(shè)備控制器內(nèi)部也會有寄存器，用來存放指令和參數(shù)

• 進行數(shù)據(jù)交換：CPU、控制器和設(shè)備之間會進行數(shù)據(jù)的交換，CPU 通過總線把指令發(fā)送給控制器，或從控制器中并行地讀出數(shù)據(jù);控制器將數(shù)據(jù)寫入指定設(shè)備。

• 地址識別：每個硬件設(shè)備都有自己的地址，設(shè)備控制器能夠識別這些不同的地址，來達到控制硬件的目的，此外，為使 CPU  能向寄存器中寫入或者讀取數(shù)據(jù)，這些寄存器都應(yīng)具有唯一的地址。

• 差錯檢測：設(shè)備控制器還具有對設(shè)備傳遞過來的數(shù)據(jù)進行檢測的功能。

在這種情況下，設(shè)備控制器會阻塞，直到中斷來解除阻塞狀態(tài)。還有一種情況是操作是可以無延遲的完成，所以驅(qū)動程序不需要阻塞。在第一種情況下，操作系統(tǒng)可能被中斷喚醒;第二種情況下操作系統(tǒng)不會被休眠。

設(shè)備驅(qū)動程序必須是可重入的，因為設(shè)備驅(qū)動程序會阻塞和喚醒然后再次阻塞。驅(qū)動程序不允許進行系統(tǒng)調(diào)用，但是它們通常需要與內(nèi)核的其余部分進行交互。

與設(shè)備無關(guān)的 I/O 軟件

I/O  軟件有兩種，一種是我們上面介紹過的基于特定設(shè)備的，還有一種是設(shè)備無關(guān)性的，設(shè)備無關(guān)性也就是不需要特定的設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動程序與設(shè)備無關(guān)的軟件之間的界限取決于具體的系統(tǒng)。下面顯示的功能由設(shè)備無關(guān)的軟件實現(xiàn)

與設(shè)備無關(guān)的軟件的基本功能是對所有設(shè)備執(zhí)行公共的 I/O 功能，并且向用戶層軟件提供一個統(tǒng)一的接口。

緩沖

無論是對于塊設(shè)備還是字符設(shè)備來說，緩沖都是一個非常重要的考量標準。下面是從 ADSL(調(diào)制解調(diào)器)  讀取數(shù)據(jù)的過程，調(diào)制解調(diào)器是我們用來聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。

用戶程序調(diào)用 read  系統(tǒng)調(diào)用阻塞用戶進程，等待字符的到來，這是對到來的字符進行處理的一種方式。每一個到來的字符都會造成中斷。中斷服務(wù)程序會給用戶進程提供字符，并解除阻塞。將字符提供給用戶程序后，進程會去讀取其他字符并繼續(xù)阻塞，這種模型如下

這一種方案是沒有緩沖區(qū)的存在，因為用戶進程如果讀不到數(shù)據(jù)會阻塞，直到讀到數(shù)據(jù)為止，這種情況效率比較低，而且阻塞式的方式，會直接阻止用戶進程做其他事情，這對用戶來說是不能接受的。還有一種情況就是每次用戶進程都會重啟，對于每個字符的到來都會重啟用戶進程，這種效率會嚴重降低，所以無緩沖區(qū)的軟件不是一個很好的設(shè)計。

作為一個改良點，我們可以嘗試在用戶空間中使用一個能讀取 n 個字節(jié)緩沖區(qū)來讀取 n  個字符。這樣的話，中斷服務(wù)程序會把字符放到緩沖區(qū)中直到緩沖區(qū)變滿為止，然后再去喚醒用戶進程。這種方案要比上面的方案改良很多。

但是這種方案也存在問題，當字符到來時，如果緩沖區(qū)被調(diào)出內(nèi)存會出現(xiàn)什么問題?解決方案是把緩沖區(qū)鎖定在內(nèi)存中，但是這種方案也會出現(xiàn)問題，如果少量的緩沖區(qū)被鎖定還好，如果大量的緩沖區(qū)被鎖定在內(nèi)存中，那么可以換進換出的頁面就會收縮，造成系統(tǒng)性能的下降。

一種解決方案是在內(nèi)核中內(nèi)部創(chuàng)建一塊緩沖區(qū)，讓中斷服務(wù)程序?qū)⒆址旁趦?nèi)核內(nèi)部的緩沖區(qū)中。

當內(nèi)核中的緩沖區(qū)要滿的時候，會將用戶空間中的頁面調(diào)入內(nèi)存，然后將內(nèi)核空間的緩沖區(qū)復(fù)制到用戶空間的緩沖區(qū)中，這種方案也面臨一個問題就是假如用戶空間的頁面被換入內(nèi)存，此時內(nèi)核空間的緩沖區(qū)已滿，這時候仍有新的字符到來，這個時候會怎么辦?因為緩沖區(qū)滿了，沒有空間來存儲新的字符了。

一種非常簡單的方式就是再設(shè)置一個緩沖區(qū)就行了，在第一個緩沖區(qū)填滿后，在緩沖區(qū)清空前，使用第二個緩沖區(qū)，這種解決方式如下

當?shù)诙€緩沖區(qū)也滿了的時候，它也會把數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶空間中，然后第一個緩沖區(qū)用于接受新的字符。這種具有兩個緩沖區(qū)的設(shè)計被稱為 雙緩沖(double  buffering)。

還有一種緩沖形式是 循環(huán)緩沖(circular  buffer)。它由一個內(nèi)存區(qū)域和兩個指針組成。一個指針指向下一個空閑字，新的數(shù)據(jù)可以放在此處。另外一個指針指向緩沖區(qū)中尚未刪除數(shù)據(jù)的第一個字。在許多情況下，硬件會在添加新的數(shù)據(jù)時，移動第一個指針;而操作系統(tǒng)會在刪除和處理無用數(shù)據(jù)時會移動第二個指針。兩個指針到達頂部時就回到底部重新開始。

緩沖區(qū)對輸出來說也很重要。對輸出的描述和輸入相似

緩沖技術(shù)應(yīng)用廣泛，但它也有缺點。如果數(shù)據(jù)被緩沖次數(shù)太多，會影響性能?？紤]例如如下這種情況，

數(shù)據(jù)經(jīng)過用戶進程 -> 內(nèi)核空間 -> 網(wǎng)絡(luò)控制器，這里的網(wǎng)絡(luò)控制器應(yīng)該就相當于是 socket  緩沖區(qū)，然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，再到接收方的網(wǎng)絡(luò)控制器 -> 接收方的內(nèi)核緩沖 -> 接收方的用戶緩沖，一條數(shù)據(jù)包被緩存了太多次，很容易降低性能。

錯誤處理

在 I/O  中，出錯是一種再正常不過的情況了。當出錯發(fā)生時，操作系統(tǒng)必須盡可能處理這些錯誤。有一些錯誤是只有特定的設(shè)備才能處理，有一些是由框架進行處理，這些錯誤和特定的設(shè)備無關(guān)。

I/O 錯誤的一類是程序員編程錯誤，比如還沒有打開文件前就讀流，或者不關(guān)閉流導(dǎo)致內(nèi)存溢出等等。這類問題由程序員處理;另外一類是實際的 I/O  錯誤，例如向一個磁盤壞塊寫入數(shù)據(jù)，無論怎么寫都寫入不了。這類問題由驅(qū)動程序處理，驅(qū)動程序處理不了交給硬件處理，這個我們上面也說過。

設(shè)備驅(qū)動程序統(tǒng)一接口

我們在操作系統(tǒng)概述中說到，操作系統(tǒng)一個非常重要的功能就是屏蔽了硬件和軟件的差異性，為硬件和軟件提供了統(tǒng)一的標準，這個標準還體現(xiàn)在為設(shè)備驅(qū)動程序提供統(tǒng)一的接口，因為不同的硬件和廠商編寫的設(shè)備驅(qū)動程序不同，所以如果為每個驅(qū)動程序都單獨提供接口的話，這樣沒法搞，所以必須統(tǒng)一。

分配和釋放

一些設(shè)備例如打印機，它只能由一個進程來使用，這就需要操作系統(tǒng)根據(jù)實際情況判斷是否能夠?qū)υO(shè)備的請求進行檢查，判斷是否能夠接受其他請求，一種比較簡單直接的方式是在特殊文件上執(zhí)行  open操作。如果設(shè)備不可用，那么直接 open 會導(dǎo)致失敗。還有一種方式是不直接導(dǎo)致失敗，而是讓其阻塞，等到另外一個進程釋放資源后，在進行 open  打開操作。這種方式就把選擇權(quán)交給了用戶，由用戶判斷是否應(yīng)該等待。

注意：阻塞的實現(xiàn)有多種方式，有阻塞隊列等

設(shè)備無關(guān)的塊

不同的磁盤會具有不同的扇區(qū)大小，但是軟件不會關(guān)心扇區(qū)大小，只管存儲就是了。一些字符設(shè)備可以一次一個字節(jié)的交付數(shù)據(jù)，而其他的設(shè)備則以較大的單位交付數(shù)據(jù)，這些差異也可以隱藏起來。

用戶空間的 I/O 軟件

雖然大部分 I/O 軟件都在內(nèi)核結(jié)構(gòu)中，但是還有一些在用戶空間實現(xiàn)的 I/O 軟件，凡事沒有絕對。一些 I/O  軟件和庫過程在用戶空間存在，然后以提供系統(tǒng)調(diào)用的方式實現(xiàn)。

上述就是小編為大家分享的 怎么理解I/O的原理了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進行理解。如果想知道更多相關(guān)知識，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。