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第一章：输入输出模型

1.1 回顾冯·诺依曼体系结构

• 冯·诺依曼体系结构的理论要点如下：
  • ① 存储程序：程序指令和数据都存储在计算机的内存中，这使得程序可以在运行时修改。
  • ② 二进制逻辑：所有数据和指令都以二进制形式表示。
  • ③ 顺序执行：指令按照它们在内存中的顺序执行，但可以有条件地改变执行顺序。
  • ④ 五大部件：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。
  • ⑤ 指令结构：指令由操作码和地址码组成，操作码指示要执行的操作，地址码指示操作数的位置。
  • ⑥ 中心化控制：计算机的控制单元（CPU）负责解释和执行指令，控制数据流。

Note

上述的组件协同工作，构成了一个完整的计算机系统：

• 运算器和控制器通常被集成在一起，组成中央处理器（CPU），负责数据处理和指令执行。
• 存储器（内存）保存数据和程序，是计算机运作的基础。
• 输入设备和输出设备负责与外界的交互，确保用户能够输入信息并接收计算机的处理结果。

直到今天，即使硬件的发展日新月异，但是现代计算机的硬件理论基础还是《冯·诺依曼体系结构》。

1.2 冯·诺依曼体系结构的瓶颈

• 计算机是有性能瓶颈的：如果 CPU 有每秒处理 1000 个服务请求的能力，各种总线的负载能力能达到 500 个， 但网卡只能接受 200个请求，而硬盘只能负担 150 个的话，那这台服务器得处理能力只能是 150 个请求/秒，有 85% 的处理器计算能力浪费了，在计算机系统当中，硬盘的读写速率已经成为影响系统性能进一步提高的瓶颈。

• 计算机的各个设备部件的延迟从高到低的排列，依次是机械硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）、内存、CPU 。

• 从上图中，我们可以知道，CPU 是最快的，一个时钟周期是 0.3 ns ，内存访问需要 120 ns ，固态硬盘访问需要 50-150 us，传统的硬盘访问需要 1-10 ms，而网络访问是最慢，需要 40 ms 以上。

Note

时间的单位换算如下：

• ① 1 秒 = 1000 毫秒，即 1 s = 1000 ms。
• ② 1 毫秒 = 1000 微妙，即 1 ms = 1000 us 。
• ③ 1 微妙 = 1000 纳秒，即 1 us = 1000 ns。

• 如果按照上图，将计算机世界的时间和人类世界的时间进行对比，即：

如果 CPU 的时钟周期按照 1 秒计算，
那么，内存访问就需要 6 分钟；
那么，固态硬盘就需要 2-6 天；
那么，传统硬盘就需要 1-12 个月；
那么，网络访问就需要 4 年以上。

Note

• ① 这就中国古典修仙小说中的“天上一天，地上一年”是多么的相似！！！
• ② 对于 CPU 来说，这个世界真的是太慢了！！！

• 其实，中国古代中的文人，通常以蜉蝣来表示时间的短暂（和其他生物的寿命比），也是类似的道理，即：

鹤寿千岁，以极其游，蜉蝣朝生而暮死，尽其乐，盖其旦暮为期，远不过三日尔。
	                                        --- 出自 西汉淮南王刘安《淮南子》

寄蜉蝣于天地，渺沧海之一粟。 哀吾生之须臾，羡长江之无穷。 
挟飞仙以遨游，抱明月而长终。 知不可乎骤得，托遗响于悲风。
	                                        --- 出自 苏轼《赤壁赋》

Note

• ① 从蜉蝣的角度来说，从早到晚就是一生；但是，从人类角度来说，从早到晚却仅仅只是一天。
• ② 这和“天上一天，地上一年”是多么的相似，即：如果蜉蝣是人类的话，那我们就是仙人了。

• 存储器的层次结构（CPU 中也有存储器，即：寄存器、高速缓存 L1、L2 和 L3），如下所示：

Note

上图以层次化的方式，展示了价格信息，揭示了一个真理，即：鱼和熊掌不可兼得。

• ① 存储器越往上速度越快，但是价格越来越贵， 越往下速度越慢，但是价格越来越便宜。
• ② 正是由于计算机各个部件的速度不同，容量不同，价格不同，导致了计算机系统/编程中的各种问题以及相应的解决方案。

• 正是由于 CPU、内存以及 IO 设备之间的速度差异，从而导致了计算机的性能瓶颈，即所谓的“冯·诺依曼体系结构的瓶颈”。

• 因为 CPU 的处理速度远远快于内存和 IO 设备，导致在等待数据处理和传输的时候，CPU 大部分处于空闲状态。就是这种显著的速度差异就导致了计算机的性能瓶颈，限制了整个计算机系统的效率。

Note

• 对于硬件的这种显著的速度差异，我们程序员是无法解决的。
• 但是，为了平衡三者之间的速度鸿沟，我们可以通过引入缓冲区技术，来降低系统的 IO 次数，降低系统的开销。

• 其实，在硬件上也是有缓冲区的，即：CPU 内部集成了缓存，将经常使用到的数据从内存中加载到缓存中。

Note

对于缓存和内存中数据的同步解决方案，会有各种各样的算法，如：LRU 等。

1.3 缓冲区

1.3.1 如果存在缓冲区，键盘输入的数据是怎么到达程序的？

• 当我们在键盘上输入数据并传递给程序时，通常会经历如下的几个步骤：

  • ① 键盘生成输入信号：当我们在键盘上按下某个键的时候，键盘会将这个动作转换为对应的电信号，传递给键盘控制器。
  • ② 键盘控制器发送中断信号：计算机的键盘控制器会检测到按键动作，向 CPU 发送中断请求。
  • ③ CPU 执行中断处理程序：CPU 暂停当前任务，进入中断处理状态，操作系统的中断处理程序接收并处理键盘输入。
  • ④ 操作系统将输入存入缓冲区：键盘输入的数据被存入内存缓冲区，操作系统会将这些数据暂时存放在缓冲区中，等待程序从缓冲区中读取数据。
  • ⑤ 程序读取数据：程序通过读取函数从缓冲区读取数据进行处理。

• 其对应的图示，如下所示：

Important

其实，C 语言中的 printf 函数和 scanf 函数，其内部就使用了缓冲区。

• ① 当我们使用 printf 函数输出数据的时候，数据并不会立即就写出到输出设备（如：屏幕等）。而是先将其放置到 stdout 缓冲区中，然后在满足条件的时候，再从缓冲区中刷新到输出设备。
• ② 当我们使用 scanf 函数输入数据的时候，数据并不会立即就从输入设备中读取（如：键盘等）。而是先将其放置到 stdin 缓冲区中，然后在满足条件的时候，再从缓冲区中加载数据。

1.3.2 如果没有缓冲区，键盘输入的数据是怎么到达程序的？

• 当我们在键盘上输入数据并传递给程序时，通常会经历如下的几个步骤：
  • ① 键盘生成输入信号：当我们在键盘上按下某个键的时候，键盘会将这个动作转换为对应的电信号，传递给键盘控制器。
  • ② 键盘控制器发送中断信号：键盘控制器检测到按键动作，向 CPU 发送中断请求，通知操作系统有输入数据。
  • ③ 操作系统处理输入：操作系统接收到中断信号后，立即获取键盘数据并处理。由于没有缓冲区，操作系统必须将数据立即传递给程序。
  • ④ 程序直接读取数据：程序必须在键盘每次输入后立即读取数据，并且处理这个输入，不会有任何数据被暂存或积累。

Note

如果没有缓冲区，键盘输入的数据将无法有效地被程序管理和处理，系统的工作效率会显著下降，具体影响体现在以下几个方面：

• ① 程序与设备的频繁交互：在没有缓冲区的情况下，程序需要直接与键盘设备进行交互。这意味着每次按键输入，操作系统都必须立即将数据传递给程序处理。这样会带来以下问题：
  • 频繁的 I/O 操作：每一次键盘输入都会触发一个 I/O 操作，将数据直接传输给程序。程序必须每次都立即响应输入设备，执行读操作，导致程序处理器频繁被中断。
  • 实时响应要求：程序需要时刻等待并响应输入，哪怕是输入非常小的数据（比如一个字符），程序都必须立即读取并处理。这对程序的设计提出了很高的实时性要求，可能会降低程序的运行效率。
• ② 处理效率低下：由于没有缓冲区，程序无法积累多个输入数据再进行批量处理。每一次输入必须立即处理，程序执行的效率会受到影响：
  • I/O 阻塞：程序可能会因为等待输入设备的响应而阻塞。没有缓冲区的情况下，程序不能继续执行其他任务，必须等待每一次输入完成后才能继续执行其他操作。
  • 浪费系统资源：程序频繁地切换到处理I/O操作，导致处理器资源被大量占用。在处理较大数据量时，这种方式的效率极低，容易造成资源浪费。
• ③ 用户体验差：从用户角度来看，程序对键盘输入的响应会显得非常僵硬，无法处理多个输入操作的积累：
  • 输入延迟：程序必须实时处理每个键盘输入，用户输入数据的速度一旦超过程序的处理能力，可能导致输入延迟或丢失输入。
  • 无法处理复杂输入：如果用户需要输入多个字符或进行复杂的输入操作（比如连续输入多个命令），程序可能难以一次性正确处理，因为它只能逐一处理每一个输入，而无法一次性获取多个输入进行批量处理。

• 其对应的图示，如下所示：

Important

其实，C 语言中的 printf 函数和 scanf 函数，其内部就使用了缓冲区。

• ① 当我们使用 printf 函数输出数据的时候，数据并不会立即就写出到输出设备（如：屏幕等）。而是先将其放置到 stdout 缓冲区中，然后在满足条件的时候，再从缓冲区中刷新到输出设备。
• ② 当我们使用 scanf 函数输入数据的时候，数据并不会立即就从输入设备中读取（如：键盘等）。而是先将其放置到 stdin 缓冲区中，然后在满足条件的时候，再从缓冲区中加载数据。