Linux 之磁盤 I-O 讀寫流程分析

一、引言

在計算機操作系統中，磁盤 I/O（輸入 / 輸出）是數據讀寫操作的關鍵環節。對於 Linux 系統而言，磁盤 I/O 性能的優化直接關係到系統的整體響應速度和數據處理能力。

本文將詳細介紹 Linux 磁盤 I/O 的讀寫流程，包括基本概念、讀寫操作的具體步驟以及相關的優化技術。

二、磁盤 I/O 的基本概念

磁盤 I/O 是指在 Linux 系統中，數據在磁盤與內存之間的傳輸過程。它涉及到文件的讀寫操作，是操作系統與外部存儲設備交互的重要方式。

在 Linux 中，磁盤 I/O 操作通過系統調用（如 read() 和 write()）實現，這些調用最終由內核負責處理。

三、磁盤 I/O 讀寫流程

1. 緩存 I/O（Buffered I/O）

緩存 I/O 是 Linux 中最常見的磁盤 I/O 操作方式。在這種方式下，數據首先被讀取到內核的頁緩存（Page Cache）中，然後再從頁緩存複製到用戶空間。寫操作則相反，數據首先被寫入到頁緩存，然後由內核決定何時將其刷新到磁盤。

（1）讀操作流程：

如果存在，直接從頁緩存複製數據到用戶空間。

如果不存在，通過 DMA（直接內存訪問）方式從磁盤讀取數據到頁緩存，然後再從頁緩存複製數據到用戶空間。

應用程序調用 read() 系統調用，請求讀取數據。

內核檢查頁緩存中是否存在所需數據。

（2）寫操作流程：

應用程序調用 write() 系統調用，請求寫入數據。

數據從用戶空間複製到頁緩存。

內核決定何時將頁緩存中的數據刷新到磁盤（通常通過後臺的 flush 線程）。

2. 直接 I/O（Direct I/O）

直接 I/O 是一種繞過內核頁緩存的磁盤 I/O 操作方式。在這種方式下，數據直接在用戶空間緩衝區和磁盤之間傳輸，減少了數據在內核空間和用戶空間之間的拷貝次數。

（1）讀操作流程：

應用程序以 O_DIRECT 標誌打開文件。

調用 read() 系統調用，數據直接從磁盤通過 DMA 方式複製到用戶空間緩衝區。

（2）寫操作流程：

應用程序以 O_DIRECT 標誌打開文件。

調用 write() 系統調用，數據直接從用戶空間緩衝區通過 DMA 方式寫入磁盤。

3. mmap 內存映射

mmap 是一種內存映射文件的方法，它將文件的內容映射到進程的地址空間中。通過 mmap，應用程序可以直接通過指針操作文件內容，而無需進行顯式的 read() 和 write() 系統調用。

操作流程：

應用程序調用 mmap() 系統調用，將文件映射到進程的地址空間。

應用程序直接通過指針操作映射的內存區域，實現文件的讀寫。

當文件內容被修改時，內核會在適當的時候將其刷新到磁盤（通過寫時複製機制）。

四、磁盤 I/O 性能優化技術

1、調整文件系統掛載選項：

使用 noatime 和 nodiratime 選項減少磁盤寫入。

2、選擇合適的 I/O 調度器：

根據工作負載選擇合適的 I/O 調度器（如 noop、deadline、cfq、mq-deadline 等）。

3、調整預讀緩存大小：

通過調整 read_ahead_kb 參數優化順序 I/O 的讀取性能。

4、使用更快的存儲設備：

考慮使用 NVMe SSDs、RAID 配置或分佈式存儲系統（如 Ceph、GlusterFS）提高 I/O 性能。

5、應用層緩存：

使用應用層緩存（如 Redis、Memcached）減少數據庫訪問次數。

五、結論

Linux 的磁盤 I/O 讀寫流程涉及多個層次和組件的協作，包括用戶空間、內核空間、文件系統、通用塊層和設備層。

通過理解這些層次和組件的工作原理，我們可以更好地優化 Linux 系統的磁盤 I/O 性能。

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/v7vP8h7coMPJ6NR9ax1DVQ