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# 第一章：输入输出模型
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## 1.1 回顾冯·诺依曼体系结构
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* `冯·诺依曼`体系结构的理论要点如下：
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- 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。
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- ② **二进制逻辑**：所有`数据`和`指令`都以`二进制`形式表示。
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- 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。
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- 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。
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- 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。
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- 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。
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> [!NOTE]
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> 上述的组件协同工作，构成了一个完整的计算机系统：
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> - `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。
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> - `存储器`（内存）保存数据和程序，是计算机运作的基础。
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> - `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。
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> 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》。
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## 1.2 冯·诺依曼体系结构的瓶颈
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* 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。
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* 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 。
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* 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。
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> [!NOTE]
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> 时间的单位换算如下：
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> * ① 1 秒 = 1000 毫秒，即 1 s = 1000 ms。
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> * ② 1 毫秒 = 1000 微妙，即 1 ms = 1000 us 。
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> * ③ 1 微妙 = 1000 纳秒，即 1 us = 1000 ns。
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* 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：
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```txt
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如果 CPU 的时钟周期按照 1 秒计算，
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那么，内存访问就需要 6 分钟；
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那么，固态硬盘就需要 2-6 天；
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那么，传统硬盘就需要 1-12 个月；
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那么，网络访问就需要 4 年以上。
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```
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> * 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！！！
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> * ② 对于 CPU 来说，这个世界真的是太慢了！！！
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* 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：
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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。
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--- 出自 西汉淮南王刘安《淮南子》
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```
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```txt
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寄蜉蝣于天地，渺沧海之一粟。 哀吾生之须臾，羡长江之无穷。
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挟飞仙以遨游，抱明月而长终。 知不可乎骤得，托遗响于悲风。
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--- 出自 苏轼《赤壁赋》
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```
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> [!NOTE]
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> * 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。
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> * 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。
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* 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：
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> 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。
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> - 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。
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> - 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。
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* 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”`。
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* 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。
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> [!NOTE]
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> * 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。
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> * 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。
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* 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。
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> [!NOTE]
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> 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。
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## 1.3 缓冲区
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### 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？
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* 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：
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* ① `键盘输入数据`：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，传递给计算机。
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* ② `硬盘中断`：计算机的`键盘控制器`会检测到键盘按键输入，并通过`中断请求`通知 CPU。这个中断信号会暂停当前的程序执行，CPU进入中断处理状态（中断处理程序会接收这个中断信号，CPU 根据键盘输入触发的中断，调用操作系统内核中的中断处理程序）。
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* ③ `操作系统处理输入`：中断处理程序从键盘控制器获取输入的数据，并降低存储到内存的`缓冲区`（标准输入缓冲区）中。
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* ④ `缓冲区管理`：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。
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* ⑤ `程序读取数据`：程序通过系统调用或库函数，如：C 语言中的 scanf 函数从缓冲区中读取键盘输入的数据。并且，当程序调用读取输入的函数时，操作系统将缓冲区中的数据传递给程序。程序通过读取操作，将键盘输入的数据处理或输出到其他地方。
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* 其对应的图示，如下所示：
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```mermaid
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sequenceDiagram
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participant User as 用户
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participant Keyboard as 键盘
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participant Controller as 键盘控制器
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participant CPU as CPU
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participant OS as 操作系统
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participant Program as 程序
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User->>Keyboard: 按下按键
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Keyboard->>Controller: 生成输入信号
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Controller->>CPU: 发送中断请求 (IRQ)
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CPU->>OS: 执行中断处理程序 (ISR)
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OS->>OS: 处理输入并存储到缓冲区 (stdin)
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Program->>OS: 通过系统调用读取缓冲区数据
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OS->>Program: 返回键盘输入数据
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> [!NOTE]
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> 其实，C 语言中的 `printf` 函数和 `scanf` 函数，其内部就使用了缓冲区。
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> * 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。
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> * 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。
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### 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？
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