在回答這個問題之前，我們先來看下為什麼對於計算機來說i/o是極其重要的。
相信對於程式設計師來說i/o操作是最為熟悉不過的了：
想一想，如果沒有i/o計算機該是一種多麼枯燥的裝置，不能看電影、不能玩遊戲，也不能上網，這樣的計算機最多就是乙個大號的計算器。
既然i/o這麼重要，那麼到底什麼才是i/o呢？
i/o就是簡單的資料copy，僅此而已。
這一點很重要，為了加深大家的印象，來，everybody，follow me，那邊樹上的朋友，還有那邊牆上的朋友們，舉起你們的雙手，跟我唱，蒼茫的天涯是。。。sorry，i/o僅僅就是資料copy、i/o僅僅就是資料copy。
讓我們先把演唱會的事情放在一邊，既然是copy資料，又是從**copy到**呢？
如果資料是從外部裝置copy到記憶體中，這就是input。
如果資料是從記憶體copy到外部裝置，這就是output。
記憶體與外部裝置之間不嫌麻煩的來回copy資料就是input and output，簡稱i/o（input/output），僅此而已。
img現在我們知道了什麼是i/o，接下來就是重點部分了，大家注意，坐穩了。
我們知道現在的cpu其主頻都是數ghz起步，這是什麼意思呢？簡單說就是cpu執行機器指令的速度是納秒級別的，而通常的i/o比如磁碟操作，一次磁碟seek大概在毫秒級別，因此如果我們把cpu的速度比作戰鬥機的話，那麼i/o操作的速度就是肯德雞。
img也就是說當我們的程式跑起來時(cpu執行機器指令)，其速度是要遠遠快於i/o速度的，那麼接下來的問題就是二者速度相差這麼大，那麼我們該如何設計、該如何更加合理的高效利用系統資源呢？
既然有速度差異，而且程序在執行完i/o操作前不能繼續向前推進，那麼顯然只有乙個辦法，那就是等待，wait。
同樣是等待，有聰明的等待，也有傻傻的等待，簡稱傻等，那麼是選擇聰明的等待呢還是選擇傻等呢？
很顯然，更好的方法就是先去幹其它事情，快遞來了再說。
因此這裡的關鍵點就是快遞沒到前手頭上的事情可以先暫停，切換到其它任務，等快遞過來了再切換回來。
理解了這一點你就能明白執行i/o操作時底層都發生了什麼。
接下來讓我們以讀取磁碟檔案為例來講解這一過程。
現在記憶體中有兩個程序，程序a和程序b，當前程序a正在執行，如圖所示：
img程序a中有一段讀取檔案的**，不管在什麼語言中通常我們定義乙個用來裝資料的buff，然後呼叫read之類的函式，像這樣：
read(buff);
由於外部裝置執行i/o操作是相當慢的，因此在i/o操作完成之前程序是無法繼續向前推進的，這就是所謂的阻塞，即通常所說的block。作業系統檢測到程序向i/o裝置發起請求後就暫停程序的執行，怎麼暫停執行呢？很簡單，只需要記錄下當前程序的執行狀態並把cpu的pc暫存器指向其它程序的指令就可以了。
程序有暫停就會有繼續執行，因此作業系統必須儲存被暫停的程序以備後續繼續執行，顯然我們可以用佇列來儲存被暫停執行的程序，如圖所示，程序a被暫停執行並被放到阻塞佇列中(注意，不同的作業系統會有不同的實現，可能每個i/o裝置都有乙個對應的阻塞佇列，但這種實現細節上的差異不影響我們的討論)。
img這時作業系統已經向磁碟傳送了i/o請求，因此磁碟driver開始將磁碟中的資料copy到程序a的buff中，雖然這時程序a已經被暫停執行了，但這並不妨礙磁碟向記憶體中copy資料。注意，現代磁碟向記憶體copy資料時無需借助cpu的幫助，這就是所謂的dma(direct memory access)，這個過程如圖所示：
img讓磁碟先copy著資料，我們接著聊。
實際上作業系統中除了有阻塞佇列之外也有就緒佇列，所謂就緒佇列是指佇列裡的程序準備就緒可以被cpu執行了，你可能會問為什麼不直接執行非要有個就緒佇列呢？答案很簡單，那就是僧多粥少，在即使只有1個核的機器上也可以建立出成千上萬個程序，cpu不可能同時執行這麼多的程序，因此必然存在這樣的程序，即使其一切準備就緒也不能被分配到計算資源，這樣的程序就被放到了就緒佇列。
現在程序b就位於就緒佇列，萬事俱備只欠cpu，如圖所示：
img當程序a被暫停執行後cpu是不可以閒下來的，因為就緒佇列中還有嗷嗷待哺的程序b，這時作業系統開始在就緒佇列中找下乙個可以執行的程序，也就是這裡的程序b。
此時作業系統將程序b從就緒佇列中取出，找出程序b被暫停時執行到的機器指令的位置，然後將cpu的pc暫存器指向該位置，這樣程序b就開始執行啦，如圖所示：
img注意，注意，接下來的這段是重點中的重點。
最後需要注意的一點就是上面的講解中我們直接把磁碟資料copy到了程序空間中，但實際上一般情況下i/o資料是要首先copy到作業系統內部，然後作業系統再copy到程序空間中。因此我們可以看到這裡其實還有一層經過作業系統的copy，對於效能要求很高的場景其實也是可以繞過作業系統直接進行資料copy的，這也是本文描述的場景，這種繞過作業系統直接進行資料copy的技術被稱為zero-copy，也就零拷貝，高併發、高效能場景下常用的一種技術，原理上很簡單吧。
本文講解的是程式設計師常用的i/o，一般來說作為程式設計師我們無需關心，但是理解i/o背後的底層原理對於設計高效能、高併發系統是極為有益的，希望這篇能對大家加深對i/o的認識有所幫助。
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