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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 概述

• 我们所编写的程序，都是运行在内存中的，如果我们不使用缓冲区，那么其在内存中就是这样的，如下所示：

• 而缓冲区的本质就是在内存中开辟一块用来临时存储数据的区域，它在速度较慢的内存和 IO 设备起到了桥梁的作用，那么其在内存中就是这样的，如下所示：

Note

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 缓冲区到底如何实现系统效率的提升？

• 如果没有缓冲区，假设有 5 个数据，输入设备每次传递 1 个数据，CPU 必须立即接收并处理，因此有 5 次 IO 操作，每次都是逐个处理，如下所示：

• 如果没有缓冲区，假设有 5 个数据，输入设备每次传递 1 个数据，但它们先存储到缓冲区中。CPU 在缓冲区满时一次性处理多个数据，减少了频繁的等待，如下所示：

Important

假设每次 IO 操作的时间是 1 秒，CPU 处理数据的时间也是 1 秒，那么：

• ① 没有缓冲区的情况下，总耗时是：5 次 I/O 操作 + 5 次处理 = 10 秒，即：没有缓冲区的情况下，每次 I/O 操作和处理器的处理是交替进行的，因此总共需要 10 秒（5 次 I/O + 5 次处理）
• ② 使用缓冲区的情况下，总耗时是：5 次 I/O 操作 + 1 次批量处理 = 6 秒，即：使用缓冲区的情况下，I/O 操作和处理器处理是分开的，I/O 操作先全部完成，处理器一次性批量处理所有数据。因此，总耗时减少为 6 秒（5 秒传输 + 1 秒处理）。

使用缓冲区能够显著减少总的执行时间，因为它允许处理器批量处理数据，而不是在每次数据传递后都进行等待处理。