Java I/O的底層實現
前言
Java I/O功能封裝的很好，使用起來很方便，就是剛開始學的時候，如果不瞭解裝飾器模式，會被他繁多的類給嚇到。用多了也就習慣了，而且現在有很多實用的封裝良好的實用類，可直接讀寫整個檔案。開發者不知道底層實現細節，也可以靈活使用，這是封裝的一大優點。但是，作為一名軟體開發人員，對其所使用的程式碼不能僅僅停留在熟悉功能特性上，最好對其實現原理也要有一定了解。
注：本文引用了部分外文內容，並根據自己的理解進行了翻譯，連線將在文末貼出。
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緩衝處理、核心空間vs使用者空間
緩衝，以及如何處理緩衝是所有IO的基本內容。術語"I/O"（輸入輸出）指的不過就是 從緩衝區移入或移除資料 。通常，程序執行I/O操作的方式是，向作業系統傳送請求，請求其填充自己的緩衝區（或者把自己緩衝區的內容寫出）。這就是I/O這個概念的全部內容。要實現這些傳輸操作，作業系統底層的實現非常複雜。但是在概念上，本文所要講述的內容則非常直白。
注意：User space和Kernel space 都屬於記憶體。記憶體分為兩個區，使用者區和系統區（核心區）。
上圖簡要展示了， 塊資料 如何從外部源頭（比如硬碟）移入到程序的記憶體空間的過程。首先，這個程序通過 系統呼叫 read()，請求填充自己的緩衝區。這將導致核心傳送一個命令到磁碟控制器，使其從磁碟中抓取資料。磁碟控制器通過DMA把資料直接寫入到核心空間緩衝區，這個過程不需要CPU干預。一旦磁碟控制器完成了填充資料的任務，核心就將資料從核心空間的臨時緩衝區轉移到程序指定的緩衝區內。
有一件事需要注意， 核心會試圖緩衝或者說預載入一些資料 ，所以有可能程序所請求的資料已經在核心空間裡了。如果這樣的話，程序請求的資料，只需要從核心緩衝區拷貝一份即可。如果資料不在核心空間內，則在核心獲取資料到記憶體的過程中，此程序將被掛起。
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從上述內容可知：
- Java的讀寫操作，底層由C/C++實現。而不是直接與OS接觸
- C/C++讀寫操作，需要OS服務
- 核心自帶緩衝，會過分載入
- 如果記憶體中沒有資料的緩衝，讀寫操作將阻塞當前執行緒（OS會幫你掛起執行緒）
DMA
DMA（Direct Memory Access，直接記憶體存取）是I/O裝置控制方式的一種。我個人認為它們的主要差別在於CPU的參與I/O控制的程度
I/O裝置控制方式有：
- 程式I/O方式——CPU需反覆檢查
- 中斷I/O方式——每完成一個位元組的讀寫，通知CPU
- DMA方式——每完成一個塊(多位元組)的讀寫，通知CPU
- I/O通道方式（暫不瞭解）
在DMA讀寫I/O裝置的時候，CPU不會被影響，它可以繼續執行。注意！這裡能繼續執行，指的是CPU可以繼續執行，而此I/O操作的執行緒已經被掛起，不參與CPU排程。I/O操作完成後，該執行緒才被喚醒，參與排程（加入就緒佇列，等待時間片）
系統呼叫
系統呼叫是應用程式間接呼叫OS函式的方式。C語言有提供與系統呼叫相對應的庫函式。這裡就是read、write。
BufferedXXStream
注意，對於Java來說，系統呼叫的開銷是比較大的。首先讀寫操作要觸發的是本地方法read0，readBytes，write0，writeBytes，這裡JNI需要一定開銷。還有就是每產生一個系統呼叫，就可能產生上千個機器指令，這種開銷是不容小覷的。所以，我們要嘗試減少系統呼叫。那有人就會問了，不行啊，我資料又不能缺斤少兩，少讀少寫肯定出問題，怎麼減少呼叫？這不是很好解決嗎，每次多讀寫一點，呼叫的次數不就少了嘛。而BufferedXXStream就是這麼用的，例如，BufferedInputStream的read無參方法只讀取一個位元組，而實際上BufferedInputStream預設讀取了8kb，這些資料用位元組陣列保留。
對了，如果對上圖，不是很理解，可以看看這張。
即執行時，有一個物件BufferedInputStream，其呼叫一次read()方法，資料保留到buf陣列中。
參考文獻
ofollow,noindex">How Java I/O Works Internally at Lower Level? （需FQ）