浅析 Linux 文件 IO 读写

Linux的文件IO子系统是Linux中最复杂的一个子系统(没有之一)。读者可以参考以下这个图：

https://www.thomas-krenn.com/de/wikiDE/images/2/2d/Linux-storage-stack-diagram_v4.0.pdf

Block Layer的运行调度模型

数据从 Page Cache 同步到磁盘上，发出的请求称为一个request，一个request包含一组 bio，每个bio包含要同步的数据pages，你要把Page和磁盘的数据进行同步。

和网络子系统不同，磁盘的调度是有要求的，不是说你发一个page，我就帮你写进去，你再发一个page，我就给你再写一个进去。你要写磁盘的一个地方，磁盘要先把磁头物理上移动到那个轨道上，然后才能写，你让磁头这样移来移去的，磁盘的性能就很难看了。

Linux的IO调度器称为evelator(电梯)，因为Linus开始实现这个系统的时候，使用的就是电梯算法。

坐过电梯很容易理解什么是电梯算法，电梯的算法是：电梯总是从一个方向，把人送到有需要的最高的位置，然后反过来，把人送到有需要的最低一个位置。这样效率是最高的，因为电梯不用根据先后顺序，不断调整方向，走更多的冤枉路。

为了实现这个算法，我们需要一个plug的概念。这个概念类似马桶的冲水器，你先把冲水器用塞子堵住，然后开始接水，等水满了，你一次把塞子拔掉，冲水器中的水就一次冲出去了。在真正冲水之前，你就有机会把数据进行合并，排序，保证你的“电梯”可以从一头走到另一头，然后从另一头回来。

我们前面讲IO系统的时候就提过磁盘调度子系统的ftrace跟踪，这里我们深入看看blktrace跟踪到的事件的含义：

请求相关

Q - queued：bio请求进入调度
G - get request：分配request
I - inserted：request进入io调度器

调度相关

B - bounced：硬件无法访问内存，需要把内存降低到硬件可访问
M - back merge：请求和前一个从后面合并
F - front merge：请求和前一个从前面合并
X - split：请求分析为多个request(很可能是因为硬件不支持太大的请求)
A - remap：基于分区等，重新映射request的位置
R - requeue: Request重新回到调度队列
S - sleep：调度器进入休眠P - plug：调度队列插入设备(准备合并)
U - unplug：调度队列离开设备(全部一次写入设备中)
T - unplug due to timer超时，而不是数据足够发起的unplug

发出相关

C - complete：完成一个request的调度(无论成功还是失败)
D - issued：发送到设备，这个是从下层硬件驱动发起的

我们通过对这些事件的跟踪，对照硬件的特性大概就可以知道运行的模型是否正常了。

Block Layer 中的 IO Scheduler 三个调度算法：

noop，是 no operation，就是不调度的算法。有什么请求都直接写下去。这通常用于两种情形：你的磁盘是比如SSD那样的内存存储设备，根本不需要调度，往下写就对了。第二种情形是你的磁盘比较高级，自带调度器，OS不需要自作聪明，有什么请求直接往下扔就好了。这两种情况就应该选noop算法。
deadline，是一个改良的电梯算法，基本上和电梯算法一样，但加了一条，如果部分请求等太久了(deadline到了，默认读请求500ms，写请求5s)，电梯就要立即给我掉头，先处理这个请求。
cfg，CPU调度器，完全公平调度器。这个算法按任务分成多个队列，按队列的“完全公平”进行调度。利用这个算法，可以通过ionice设定每个任务不同的优先级，提供给调度器进行分级调度。https://zhuanlan.zhihu.com/p/22604682

首先来看一下一般的IO调用。在传统的文件IO操作中，我们都是调用操作系统提供的底层标准IO系统调用函数 read()、write() ，此时调用此函数的进程(在JAVA中即java进程)由当前的用户态切换到内核态，然后OS的内核代码负责将相应的文件数据读取到内核的IO缓冲区，然后再把数据从内核IO缓冲区拷贝到进程的私有地址空间中去，这样便完成了一次IO操作。如下图所示：

注意两点：

OS的read函数会在内核IO缓冲区中预读取数据，减少磁盘IO操作。
Java的BufferedReader或BufferedInputStream的缓冲区的作用是减少系统调用。