緩沖IO
在介紹緩沖IO之前需要先了解一下常用的機械硬盤的原理與特點
一個機械硬盤中裝有多個盤片
每個盤片上有多個同心圓（磁道）
每個同心圓又由多個弧（扇區）組成，每個弧上都記錄了等量的數據（比方說512byte）
如果發起一個隨機讀寫請求，磁頭需要先找到對應的磁道，然后等待對應的扇區旋轉到磁頭正下方才能開始讀取數據（民用機械硬盤的轉速一般在5400或者7200RPM，工業界倒是經常使用10000RPM的機械硬盤。但是它們的尋道時間大概都在幾ms到十幾ms左右）
機械硬盤的順序讀寫很快（一般在100-200MB/s），但是隨機讀寫很慢（尋道時間在十幾ms，導致隨機讀寫的iops只有幾十）
假定我們不做任何額外的優化處理，在用戶發起讀數據請求的時候，直接調用硬盤驅動讀取磁盤數據並返回
設想一個場景：循環調用read方法讀取文件，但是每次只讀取較少的數據（比方說每次只讀一個byte）。那么每次read請求都對應於一次對磁盤的隨機讀寫（兩次讀請求之前需要重新尋道），也就是說read操作的tps只有幾十。
也就是說此時磁盤占用率為100%，但是只能提供不到100byte/s的數據讀取率，這顯然是不可接受的。
Linux對此有個很簡單的優化，就是在內核中維護一塊緩沖區（buffer cache），在用戶第一次調用read讀取數據的時候，無論用戶想要讀取的數據有多小，都會一次性從磁盤中加載一段數據放到緩沖區中，這樣用戶下一次調用read方法的時候可以直接從緩沖區中返回數據，不用再次訪問磁盤了。
write方法也是同理，用戶寫入的數據不是直接落盤，而是先寫到kernel中的緩沖區里，按照一定的策略批量刷盤。當然也可以調用flush方法強制將緩存區的數據落盤。
這個優化極大的提高了順序讀寫的效率。由於直接讀寫的是kernel中的緩沖區而不是磁盤，這種IO被稱為緩沖IO。
直接IO
一般來說，上面介紹的緩沖IO已經足夠應付日常需求了。但是像數據庫這種極度依賴IO的應用程序，為了追求極致的性能，往往更加願意自己直接操作磁盤。
直接IO可以直接將數據從磁盤復制到用戶空間，或者將數據從用戶空間寫到磁盤，減少了kernel中的緩沖區這一環節，這是直接IO可以提高性能的原理。
但是如果用得不好就悲劇了，所以直接IO只在少數場景下使用。
內存映射
先給出mmap的官方文檔
mmap方法會返回一個void *類型的指針ptr，它指向進程邏輯空間中的一個地址。
后續如果想要讀寫文件，無需調用read/write方法， 而是直接操作這個ptr指針即可。
用戶試圖向ptr指針指向的空間讀寫數據時，由於MMU無法在物理內存中找到對應的地址，會觸發一次缺頁中斷，OS會去硬盤中找到對應的數據並復制到內存中，然后用戶就能正常完成讀寫操作了。這個過程是由操作系統自動完成的。
為什么說內存映射效率比緩沖IO要高？
我們回憶一下緩沖IO的工作流程：
1. 用戶調用read方法
2. 調用系統調用，觸發中斷，進程從用戶態進入內核態
3. 從硬盤中讀取數據並復制到kernel緩沖區
4. 將數據從kernel緩存區復制到用戶提供的byte數組中
5. 進程從內核態返回到用戶態
完成
從上面的流程中我們可以看到，調用一次read方法，最多可能會引起兩次用戶態與內核態之間的切換，以及兩次數據復制
而內存映射呢？
1. 用戶試圖訪問ptr指向的數據
2. MMU解析失敗，觸發缺頁中斷，程序從用戶態進入到內核態
3. 從硬盤中讀取數據並復制到進程空間中ptr指向的邏輯空間里
4. 進程從內核態返回到用戶態
完成
可以看出，試圖訪問內存映射文件，最多可能會引起兩次用戶態與內核態之間的切換，以及一次數據復制
也就是說，內存映射與緩沖IO相比，可以節省數據復制帶來的開銷，因此效率較高。
參考資料