淺析 Linux 文件 IO 讀寫
Linux的文件IO子系統(tǒng)是Linux中最復(fù)雜的一個子系統(tǒng)（沒有之一）。讀者可以參考以下這個圖：
https://www.thomas-krenn.com/de/wikiDE/images/2/2d/Linux-storage-stack-diagram_v4.0.pdf
Block Layer的運行調(diào)度模型
數(shù)據(jù)從 Page Cache 同步到磁盤上，發(fā)出的請求稱為一個request，一個request包含一組 bio，每個bio包含要同步的數(shù)據(jù)pages，你要把Page和磁盤的數(shù)據(jù)進行同步。
和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)不同，磁盤的調(diào)度是有要求的，不是說你發(fā)一個page，我就幫你寫進去，你再發(fā)一個page，我就給你再寫一個進去。你要寫磁盤的一個地方，磁盤要先把磁頭物理上移動到那個軌道上，然后才能寫，你讓磁頭這樣移來移去的，磁盤的性能就很難看了。
Linux的IO調(diào)度器稱為evelator（電梯），因為Linus開始實現(xiàn)這個系統(tǒng)的時候，使用的就是電梯算法。
坐過電梯很容易理解什么是電梯算法，電梯的算法是：電梯總是從一個方向，把人送到有需要的最高的位置，然后反過來，把人送到有需要的最低一個位置。這樣效率是最高的，因為電梯不用根據(jù)先后順序，不斷調(diào)整方向，走更多的冤枉路。
為了實現(xiàn)這個算法，我們需要一個plug的概念。這個概念類似馬桶的沖水器，你先把沖水器用塞子堵住，然后開始接水，等水滿了，你一次把塞子拔掉，沖水器中的水就一次沖出去了。在真正沖水之前，你就有機會把數(shù)據(jù)進行合并，排序，保證你的“電梯”可以從一頭走到另一頭，然后從另一頭回來。
我們前面講IO系統(tǒng)的時候就提過磁盤調(diào)度子系統(tǒng)的ftrace跟蹤，這里我們深入看看blktrace跟蹤到的事件的含義：
請求相關(guān)
Q - queued：bio請求進入調(diào)度
G - get request：分配request
I - inserted：request進入io調(diào)度器
調(diào)度相關(guān)
B - bounced：硬件無法訪問內(nèi)存，需要把內(nèi)存降低到硬件可訪問
M - back merge：請求和前一個從后面合并
F - front merge：請求和前一個從前面合并
X - split：請求分析為多個request（很可能是因為硬件不支持太大的請求）
A - remap：基于分區(qū)等，重新映射request的位置
R - requeue: Request重新回到調(diào)度隊列
S - sleep：調(diào)度器進入休眠P - plug：調(diào)度隊列插入設(shè)備（準備合并）
U - unplug：調(diào)度隊列離開設(shè)備（全部一次寫入設(shè)備中）
T - unplug due to timer超時，而不是數(shù)據(jù)足夠發(fā)起的unplug
發(fā)出相關(guān)
C - complete：完成一個request的調(diào)度（無論成功還是失?。?br> D - issued：發(fā)送到設(shè)備，這個是從下層硬件驅(qū)動發(fā)起的
我們通過對這些事件的跟蹤，對照硬件的特性大概就可以知道運行的模型是否正常了。
Block Layer 中的 IO Scheduler 三個調(diào)度算法：
noop，是 no operation，就是不調(diào)度的算法。有什么請求都直接寫下去。這通常用于兩種情形：你的磁盤是比如SSD那樣的內(nèi)存存儲設(shè)備，根本不需要調(diào)度，往下寫就對了。第二種情形是你的磁盤比較高級，自帶調(diào)度器，OS不需要自作聰明，有什么請求直接往下扔就好了。這兩種情況就應(yīng)該選noop算法。
deadline，是一個改良的電梯算法，基本上和電梯算法一樣，但加了一條，如果部分請求等太久了（deadline到了，默認讀請求500ms，寫請求5s），電梯就要立即給我掉頭，先處理這個請求。
cfg，CPU調(diào)度器，完全公平調(diào)度器。這個算法按任務(wù)分成多個隊列，按隊列的“完全公平”進行調(diào)度。利用這個算法，可以通過ionice設(shè)定每個任務(wù)不同的優(yōu)先級，提供給調(diào)度器進行分級調(diào)度。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/22604682
首先來看一下一般的IO調(diào)用。在傳統(tǒng)的文件IO操作中，我們都是調(diào)用操作系統(tǒng)提供的底層標準IO系統(tǒng)調(diào)用函數(shù) read()、write() ，此時調(diào)用此函數(shù)的進程（在JAVA中即java進程）由當(dāng)前的用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，然后OS的內(nèi)核代碼負責(zé)將相應(yīng)的文件數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核的IO緩沖區(qū)，然后再把數(shù)據(jù)從內(nèi)核IO緩沖區(qū)拷貝到進程的私有地址空間中去，這樣便完成了一次IO操作。如下圖所示：
注意兩點：
- OS的read函數(shù)會在內(nèi)核IO緩沖區(qū)中預(yù)讀取數(shù)據(jù)，減少磁盤IO操作。
- Java的BufferedReader或BufferedInputStream的緩沖區(qū)的作用是減少系統(tǒng)調(diào)用。
