IO 地图

点一个框看它做什么、在哪篇讲过；选一条路径，一步一步看一次 read、一次 recv、一次 sendfile 怎么走。蓝字可以直接点开对应的文章或地图。

IO 地图：数据怎么在设备、内核和你的缓冲区之间走 上面是用户态，中间是内核，下面是设备和内存。左边一列是文件，中间一列是网络。数字都是量级。 橙线 = CPU 拷贝；蓝色虚线 = DMA（设备直接读写内存，不占 CPU）；绿色虚线 = 映射，不拷贝；灰线 = 调用或通知。 蓝字 = 在哪里讲过，进程地图、硬件地图会打开对应的那张图。 用户态：你的进程 系统调用：同一个线程切到内核态，一次来回约 100 ns 到几百 ns 内核态 设备和内存 你的进程 read / write：读写文件 send / recv：收发网络数据 mmap：把文件映射进地址空间 每一个都是一次系统调用 进程地图 用户缓冲区 buf 你自己分配的内存：栈上、堆上 read / recv：内核把数据拷进来 write / send：内核从这里拷走 进程地图：栈、堆 mmap 映射区 页缓存里的页直接映射进来 读写就是普通的访存，不拷贝 第一次碰一页要缺页 进程地图：mmap 区 IO 模型：等数据的时候，线程在干什么 阻塞：数据没好，线程睡在 read / recv 里 非阻塞：数据没好，立刻返回 EAGAIN，过会儿再试 IO 多路复用（select / poll / epoll）：一个线程等很多 fd，读还是自己读 异步（io_uring）：把“读到 buf 里”交给内核，读完了再通知你 前三种都是同步 IO：把数据拷进 buf 这一步，是你的线程在等 epoll：红黑树、就绪链表和回调 VFS（虚拟文件系统） 按 fd 找到打开的文件 再交给具体的文件系统（ext4、xfs……） 页缓存（page cache） 读过、写过的文件内容，按页缓存在内存里 read 命中就直接拷，不碰磁盘 write 写到这里、标成脏页就返回 free 命令里的 buff/cache 主要就是它 回写线程（writeback） 脏页过一会写回磁盘 默认脏了约 30 s 必写，每 5 s 查一次 fsync：等这个文件写完才返回 块设备层 + 磁盘驱动 把要读写的页组成请求，排队、合并 交给 NVMe 驱动，发给磁盘 socket 缓冲区 接收缓冲：收到了、还没被 recv 的数据 发送缓冲：send 拷进来、对方还没确认的 满了：send 阻塞，或返回 EAGAIN epoll：就绪通知 socket 收到数据，回调把它挂上 epoll 的就绪链表， 再叫醒睡在 epoll_wait 里的线程 只通知“可以读了”，数据还得你自己 recv epoll：红黑树、就绪链表和回调 TCP/IP 协议栈 收：校验、去包头，按 IP 和端口找到 socket 发：分段、等确认、丢了重传 网卡驱动 + 收发环 收：软中断（NAPI）一次取一批包 发：把包挂到发送环，通知网卡 零拷贝：把文件发到网络上 read + write： 磁盘 → 页缓存（DMA）→ buf（CPU）→ socket 缓冲（CPU）→ 网卡（DMA） 4 次拷贝，4 次用户态、内核态切换 mmap + write：页缓存直接映射进来，省掉拷进 buf 那一次 sendfile：数据不出内核，页缓存 → 网卡 网卡支持分散收集 DMA 时，CPU 一次都不拷，只剩 2 次 DMA、2 次切换 splice：在两个 fd 之间搬，中间经过一个管道，也不拷进用户态 磁盘（NVMe SSD） 一次随机读约 10–100 µs 机械硬盘要几 ms 做完用 DMA 写进内存，再发中断 硬件地图：外部设备 内存（DRAM） 页缓存、socket 缓冲、收发环 其实都是内存里的页 DMA：设备直接读写内存，不占 CPU 硬件地图：内存控制器 → 通道 网卡（NIC） 收：DMA 写进收包环，再发中断 发：DMA 从发送环读出来发走 同一机房往返约几十 µs 硬件地图：网卡 → 中断 → 某个核 read / write send / recv CPU 拷贝 CPU 拷贝 映射，不拷贝 读写请求 DMA DMA 中断 回调 查 没命中 图随文章更新：讲到 io_uring、管道和信号时再往上补。