缓冲区操作
进程执行I/O操作，归结起来，也就是向操作系统发出请求，让它要么把缓冲区里的数据排干（写），要么用数据把缓冲区填满（读）。进程使用这一机制处理所有数据进出操作。
I/O缓冲区操作简图
进程使用read()系统调用，要求其缓冲区被填满。内核随即向磁盘控制硬件发出命令，要求其从磁盘读取数据。磁盘控制器把数据直接写入内核内存缓冲区，这一步通过DMA完成，无需主CPU协助。一旦磁盘控制器把缓冲区装满，内核即把数据从内核空间的临时缓冲区拷贝到进程执行read()调用时指定的缓冲区。
用户空间：常规进程所在区域。JVM就是常规进程，驻守于用户空间。用户空间是非特权区域。
内核空间：操作系统所在区域。内核代码有特别的权力：它能与设备控制器通讯，控制着用户区域进程的运行状态，等等。最重要的是，所有I/O都直接或间接通过内核空间。
当进程请求I/O操作的时候，它执行一个系统调用将控制权交给内核。当内核以这种方式被调用时，它随即采取任何必要步骤，找到进程所需数据，并把数据传送到用户空间的指定缓冲区。内核试图对数据进行高速缓存或预读取，因此进程所需数据可能已经在内核空间里了。如果是这样，该数据只要简单的拷贝出来即可。如果数据不再内存空间，则进程被挂起，内核着手把数据读进内存。
为什么不直接让磁盘控制器把数据送到用户空间的缓冲区？
1.硬件通常不能直接访问用户空间
2.磁盘基于块存储操作的是固定大小的数据块，而用户进程请求的可能是任意大小的或非对齐的数据块。在数据往来于用户空间与存储设备的过程中，内核负责数据的分解、再组合工作，充当着中间人的角色。
发散/汇聚
根据发散/汇聚的概念，进程只需一个系统调用，就能把一连串缓冲区地址传递给操作系统。然后内核就可以顺序填充或排干多个缓冲区，读的时候就把数据发散到多个用户空间缓冲区，写的时候再从多个缓冲区把数据汇聚起来。
三个缓冲区的发散读操作
这样用户进程就不必多次执行系统调用，内核也可以优化数据的处理过程，因为它已掌握待传输数据的全部信息。如果系统配有多个CPU，甚至可以同时填充或排干多个缓冲区。
虚拟内存
使用虚拟地址取代物理内存地址。
好处：
1.一个以上的虚拟地址可指向同一个物理内存地址。
2.虚拟内存空间可大于实际可用的硬件内存。
把内核空间地址与用户空间的虚拟地址映射到同一物理地址，这样，DMA硬件（只能访问物理内存地址）就可以填充对内核与用户空间进程同时可见的缓冲区。
内存空间多重映射
省去了内核与用户空间的往来拷贝。
前提条件：内核与用户缓冲区必须使用相同的页对齐，缓冲区的大小还必须是磁盘控制器块大小的倍数
内存页
上图显示了多个虚拟地址的虚拟内存页是如何映射到物理内存的。
内存页面调度
为了支持虚拟内存寻址空间大于物理内存的特性，就必须进行内存分页。虚拟内存空间的页面能够继续存在于外部磁盘存储，这样就为物理内存中的其它虚拟页面腾出了空间。从本质上来说，物理内存充当了分页区的高速缓存，而所谓的分页区，即从物理内存置换出来，转而存储于磁盘上的内存页面。
用于分页区高速缓存的物理内存
上图显示了分属于四个进程的虚拟页面，其中每个进程都有属于自己的虚拟内存空间，进程A有五个页面，其中两个装入内存，其余存储于磁盘。
现代CPU包含一个称为内存管理单元（MMU）的子系统，该设备包含虚拟地址向物理内存地址转换时所需映射信息。当CPU引用某内存地址时，MMU负责确定该地址所在页，并将虚拟页号转换为物理页号（这一步由硬件完成，速度极快）。如果当前不存在与虚拟页形成有效映射的物理内存页，MMU会向CPU提交一个页错误。然后把控制权交给内核，由内核主导从磁盘上将该页读入物理内存，更新MMU。
文件I/O
文件I/O属文件系统范畴，文件系统与磁盘迥然不同。磁盘属于存储的硬件设备，文件系统是更高层次的抽象，是安排、解释磁盘数据的一种独特方式。
文件系统把一连串大小一致的数据块组织到一起。当用户进程请求读取文件数据时，文件系统需要确定数据具体在磁盘什么位置，然后着手把相关磁盘扇区读进内存。
操作系统还有页的概念，其大小或者与基本内存页一致，或者是其倍数。典型的操作系统页从2048到8192字节不等，且始终是基本内存页大小的倍数。
采用分页技术的操作系统执行I/O的全过程可总结为以下几步：
1.确定请求的数据分布在文件系统的哪些页。
2.在内核空间分配足够数量的内存页，以容纳得到确定的文件系统页。
3.在内存页与磁盘上的文件系统页之间建立映射。
4.为每一个内存页产生错误。
5.虚拟内存系统俘获页错误，安排页面调入，从磁盘上读取页内容，使页有效。
6.一旦页面调入操作完成，文件系统即对原始数据进行解析，取得所需文件内容或属性信息。
内存映射文件
用户内存到文件系统页的映射
内存映射I/O使用文件系统建立从用户空间直到可用文件系统页的虚拟内存映射。好处如下：
1.用户进程把文件数据当成内存，所以无需发布read()或write()系统调用。
2.当用户进程碰触到映射内存空间，页错误会自动产生从而将文件数据从磁盘读进内存。如果用户修改了内存映射空间，相关页会自动标记为脏随后刷新到磁盘，文件得到更新。
3.操作系统的虚拟内存子系统会对页进行智能高速缓存，自动根据系统负载进行内存管理。
4.数据总是按页对齐，无需执行缓冲区拷贝。
5.大型文件使用映射，无需耗费大量内存即可进行数据拷贝。
流I/O
流的传输一般比块设备慢，经常用于间歇性输入。多数操作系统允许把流置于非块模式，这样，进程可以查看流上是否有输入，即便当时没有也不影响它干别的。这样一种能力使得进程可以在有输入的时候进行处理，输入闲置的时候执行其他功能。。
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