深入理解 Linux的 I/O 系統(tǒng)

傳統(tǒng)的 System Call I/O

在 Linux 系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的訪問方式是通過 write() 和 read() 兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)的，通過 read() 函數(shù)讀取文件到到緩存區(qū)中，然后通過 write() 方法把緩存中的數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)絡(luò)端口。

read(file_fd, tmp_buf, len);
write(socket_fd, tmp_buf, len); 下圖分別對應(yīng)傳統(tǒng) I/O 操作的數(shù)據(jù)讀寫流程，整個(gè)過程涉及 2 次 CPU 拷貝、2 次 DMA 拷貝，總共 4 次拷貝，以及 4 次上下文切換。

• CPU 拷貝：

  
  

  由 CPU 直接處理數(shù)據(jù)的傳送，數(shù)據(jù)拷貝時(shí)會(huì)一直占用 CPU 的資源。

  
  

• DMA 拷貝：

  
  

  由 CPU 向DMA磁盤控制器下達(dá)指令，讓 DMA 控制器來處理數(shù)據(jù)的傳送，數(shù)據(jù)傳送完畢再把信息反饋給 CPU，從而減輕了 CPU 資源的占有率。

  
  

• 上下文切換：

  
  

  當(dāng)用戶程序向內(nèi)核發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，CPU 將用戶進(jìn)程從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)；

  
  

  當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用返回時(shí)，CPU 將用戶進(jìn)程從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)。

  
  

讀操作

當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行 read 系統(tǒng)調(diào)用讀取一塊數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果這塊數(shù)據(jù)已經(jīng)存在于用戶進(jìn)程的頁內(nèi)存中，就直接從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。

如果數(shù)據(jù)不存在，則先將數(shù)據(jù)從磁盤加載數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間的讀緩存（Read Buffer）中，再從讀緩存拷貝到用戶進(jìn)程的頁內(nèi)存中。

read(file_fd, tmp_buf, len);
基于傳統(tǒng)的 I/O 讀取方式，read 系統(tǒng)調(diào)用會(huì)觸發(fā) 2 次上下文切換，1 次 DMA 拷貝和 1 次 CPU 拷貝。

發(fā)起數(shù)據(jù)讀取的流程如下：

1. 用戶進(jìn)程通過 read() 函數(shù)向 Kernel 發(fā)起 System Call，上下文從 user space 切換為 kernel space。
2. CPU 利用 DMA 控制器將數(shù)據(jù)從主存或硬盤拷貝到 kernel space 的讀緩沖區(qū)（Read Buffer）。
3. CPU 將讀緩沖區(qū)（Read Buffer）中的數(shù)據(jù)拷貝到 user space 的用戶緩沖區(qū)（User Buffer）。
4. 上下文從 kernel space 切換回用戶態(tài)（User Space），read 調(diào)用執(zhí)行返回。

寫操作

當(dāng)應(yīng)用程序準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，執(zhí)行 write 系統(tǒng)調(diào)用發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)從用戶空間的頁緩存拷貝到內(nèi)核空間的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)（Socket Buffer）中，然后再將寫緩存中的數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡設(shè)備完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

write(socket_fd, tmp_buf, len);
基于傳統(tǒng)的 I/O 寫入方式，write() 系統(tǒng)調(diào)用會(huì)觸發(fā) 2 次上下文切換，1 次 CPU 拷貝和 1 次 DMA 拷貝。

用戶程序發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的流程如下：

1. 用戶進(jìn)程通過 write() 函數(shù)向 kernel 發(fā)起 System Call，上下文從 user space 切換為 kernel space。
2. CPU 將用戶緩沖區(qū)（User Buffer）中的數(shù)據(jù)拷貝到 kernel space 的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)（Socket Buffer）。
3. CPU 利用 DMA 控制器將數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)（Socket Buffer）拷貝到 NIC 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
4. 上下文從 kernel space 切換回 user space，write 系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行返回。

網(wǎng)絡(luò) I/O

磁盤 I/O

高性能優(yōu)化的 I/O

1. 零拷貝技術(shù)。
2. 多路復(fù)用技術(shù)。
3. 頁緩存（PageCache）技術(shù)。

其中，頁緩存（PageCache） 是操作系統(tǒng)對文件的緩存，用來減少對磁盤的 I/O 操作，以頁為單位的，內(nèi)容就是磁盤上的物理塊，頁緩存能幫助程序?qū)ξ募M(jìn)行順序讀寫的速度幾乎接近于內(nèi)存的讀寫速度，主要原因就是由于 OS 使用 PageCache 機(jī)制對讀寫訪問操作進(jìn)行了性能優(yōu)化。

頁緩存讀取策略：當(dāng)進(jìn)程發(fā)起一個(gè)讀操作 （比如，進(jìn)程發(fā)起一個(gè) read() 系統(tǒng)調(diào)用），它首先會(huì)檢查需要的數(shù)據(jù)是否在頁緩存中：

• 如果在，則放棄訪問磁盤，而直接從頁緩存中讀取。
• 如果不在，則內(nèi)核調(diào)度塊 I/O 操作從磁盤去讀取數(shù)據(jù)，并讀入緊隨其后的少數(shù)幾個(gè)頁面（不少于一個(gè)頁面，通常是三個(gè)頁面），然后將數(shù)據(jù)放入頁緩存中。

頁緩存寫策略：當(dāng)進(jìn)程發(fā)起 write 系統(tǒng)調(diào)用寫數(shù)據(jù)到文件中，先寫到頁緩存，然后方法返回。此時(shí)數(shù)據(jù)還沒有真正的保存到文件中去，Linux 僅僅將頁緩存中的這一頁數(shù)據(jù)標(biāo)記為 “臟”，并且被加入到臟頁鏈表中。

然后，由 flusher 回寫線程周期性將臟頁鏈表中的頁寫到磁盤，讓磁盤中的數(shù)據(jù)和內(nèi)存中保持一致，最后清理“臟”標(biāo)識(shí)。在以下三種情況下，臟頁會(huì)被寫回磁盤：

1. 空閑內(nèi)存低于一個(gè)特定閾值。

   
   

2. 臟頁在內(nèi)存中駐留超過一個(gè)特定的閾值時(shí)。

   
   

3. 當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用 sync() 和 fsync() 系統(tǒng)調(diào)用時(shí)。

   
   

存儲(chǔ)設(shè)備的 I/O 棧

由圖可見，從系統(tǒng)調(diào)用的接口再往下，Linux 下的 IO 棧致大致有三個(gè)層次：

1. 文件系統(tǒng)層，以 write 為例，內(nèi)核拷貝了 write 參數(shù)指定的用戶態(tài)數(shù)據(jù)到文件系統(tǒng) Cache 中，并適時(shí)向下層同步。

   
   

2. 塊層，管理塊設(shè)備的 IO 隊(duì)列，對 IO 請求進(jìn)行合并、排序（還記得操作系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)過的 IO 調(diào)度算法嗎？）。

   
   

3. 設(shè)備層，通過 DMA 與內(nèi)存直接交互，完成數(shù)據(jù)和具體設(shè)備之間的交互。

   
   

結(jié)合這個(gè)圖，想想 Linux 系統(tǒng)編程里用到的 Buffered IO、mmap、Direct IO，這些機(jī)制怎么和 Linux I/O 棧聯(lián)系起來呢？上面的圖有點(diǎn)復(fù)雜，我畫一幅簡圖，把這些機(jī)制所在的位置添加進(jìn)去：

Linux IO系統(tǒng)

這下一目了然了吧？傳統(tǒng)的 Buffered IO 使用 read 讀取文件的過程什么樣的？假設(shè)要去讀一個(gè)冷文件（Cache 中不存在），open 打開文件內(nèi)核后建立了一系列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，接下來調(diào)用 read，到達(dá)文件系統(tǒng)這一層，發(fā)現(xiàn) Page Cache 中不存在該位置的磁盤映射，然后創(chuàng)建相應(yīng)的 Page Cache 并和相關(guān)的扇區(qū)關(guān)聯(lián)。

然后請求繼續(xù)到達(dá)塊設(shè)備層，在 IO 隊(duì)列里排隊(duì)，接受一系列的調(diào)度后到達(dá)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，此時(shí)一般使用 DMA 方式讀取相應(yīng)的磁盤扇區(qū)到 Cache 中，然后 read 拷貝數(shù)據(jù)到用戶提供的用戶態(tài) buffer 中去（read 的參數(shù)指出的）。

整個(gè)過程有幾次拷貝？ 從磁盤到 Page Cache 算第一次的話，從 Page Cache 到用戶態(tài) buffer 就是第二次了。而 mmap 做了什么？mmap 直接把 Page Cache 映射到了用戶態(tài)的地址空間里了，所以 mmap 的方式讀文件是沒有第二次拷貝過程的。

那 Direct IO 做了什么？ 這個(gè)機(jī)制更狠，直接讓用戶態(tài)和塊 IO 層對接，直接放棄 Page Cache，從磁盤直接和用戶態(tài)拷貝數(shù)據(jù)。好處是什么？寫操作直接映射進(jìn)程的buffer到磁盤扇區(qū)，以 DMA 的方式傳輸數(shù)據(jù)，減少了原本需要到 Page Cache 層的一次拷貝，提升了寫的效率。

對于讀而言，第一次肯定也是快于傳統(tǒng)的方式的，但是之后的讀就不如傳統(tǒng)方式了（當(dāng)然也可以在用戶態(tài)自己做 Cache，有些商用數(shù)據(jù)庫就是這么做的）。

除了傳統(tǒng)的 Buffered IO 可以比較自由的用偏移 長度的方式讀寫文件之外，mmap 和 Direct IO 均有數(shù)據(jù)按頁對齊的要求，Direct IO 還限制讀寫必須是底層存儲(chǔ)設(shè)備塊大小的整數(shù)倍（甚至 Linux 2.4 還要求是文件系統(tǒng)邏輯塊的整數(shù)倍）。

所以接口越來越底層，換來表面上的效率提升的背后，需要在應(yīng)用程序這一層做更多的事情。所以想用好這些高級特性，除了深刻理解其背后的機(jī)制之外，也要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上下一番功夫。

I/O Buffering

如圖，當(dāng)程序調(diào)用各類文件操作函數(shù)后，用戶數(shù)據(jù)（User Data）到達(dá)磁盤（Disk）的流程如圖所示。

圖中描述了 Linux 下文件操作函數(shù)的層級關(guān)系和內(nèi)存緩存層的存在位置。中間的黑色實(shí)線是用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的分界線。

從上往下分析這張圖：

1. 首先是 C 語言 stdio 庫定義的相關(guān)文件操作函數(shù)，這些都是用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)的跨平臺(tái)封裝函數(shù)。stdio 中實(shí)現(xiàn)的文件操作函數(shù)有自己的 stdio buffer，這是在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)的緩存。此處使用緩存的原因很簡單 — 系統(tǒng)調(diào)用總是昂貴的。如果用戶代碼以較小的 size 不斷的讀或?qū)懳募脑?，stdio 庫將多次的讀或者寫操作通過 buffer 進(jìn)行聚合是可以提高程序運(yùn)行效率的。

stdio 庫同時(shí)也支持 fflush 函數(shù)來主動(dòng)的刷新 buffer，主動(dòng)的調(diào)用底層的系統(tǒng)調(diào)用立即更新 buffer 里的數(shù)據(jù)。特別地，setbuf 函數(shù)可以對 stdio 庫的用戶態(tài) buffer 進(jìn)行設(shè)置，甚至取消 buffer 的使用。

2. 系統(tǒng)調(diào)用的 read/write 和真實(shí)的磁盤讀寫之間也存在一層 buffer，這里用術(shù)語 Kernel buffer cache 來指代這一層緩存。在 Linux 下，文件的緩存習(xí)慣性的稱之為 Page Cache，而更低一級的設(shè)備的緩存稱之為 Buffer Cache。

這兩個(gè)概念很容易混淆，這里簡單的介紹下概念上的區(qū)別：Page Cache 用于緩存文件的內(nèi)容，和文件系統(tǒng)比較相關(guān)。文件的內(nèi)容需要映射到實(shí)際的物理磁盤，這種映射關(guān)系由文件系統(tǒng)來完成；Buffer Cache 用于緩存存儲(chǔ)設(shè)備塊（比如磁盤扇區(qū)）的數(shù)據(jù)，而不關(guān)心是否有文件系統(tǒng)的存在（文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)緩存在 Buffer Cache 中）。

作者：范桂颶 整理：極客重生

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