Linux磁盘I/O是怎么工作的（上）

Posted 2022-08-15 hanson世纪

在​​Linux文件系统是怎么工作的？​​中讲了Linux文件系统的工作原理。目录项是一个内存缓存；而超级块、索引节点和逻辑块，都是存储在磁盘中的持久化数据。

那么，磁盘是怎么工作的呢？又有哪些指标可以用来衡量它的性能呢？

一、磁盘

磁盘是可以持久化存储的设备，根据存储介质的不同，常见磁盘可以分为两类：机械磁盘和固态磁盘。

第一类，机械磁盘，也称为硬盘驱动器（Hard Disk Driver），通常缩写为 HDD。机械磁盘主要由盘片和读写磁头组成，数据就存储在盘片的环状磁道中。在读写数据前，需要移动读写磁头，定位到数据所在的磁道，然后才能访问数据。

显然，如果 I/O 请求刚好连续，那就不需要磁道寻址，自然可以获得最佳性能。这其实就是我们熟悉的，连续 I/O 的工作原理。与之相对应的，当然就是随机 I/O，它需要不停地移动磁头，来定位数据位置，所以读写速度就会比较慢。

第二类，固态磁盘（Solid State Disk），通常缩写为 SSD，由固态电子元器件组成。固态磁盘不需要磁道寻址，所以，不管是连续 I/O，还是随机 I/O 的性能，都比机械磁盘要好得多。

其实，无论机械磁盘，还是固态磁盘，相同磁盘的随机 I/O 都要比连续 I/O 慢很多，原因也很明显。

• 对机械磁盘来说，我们刚刚提到过的，由于随机 I/O 需要更多的磁头寻道和盘片旋转，它的性能自然要比连续 I/O 慢。
• 而对固态磁盘来说，虽然它的随机性能比机械硬盘好很多，但同样存在“先擦除再写入”的限制。随机读写会导致大量的垃圾回收，所以相对应的，随机 I/O 的性能比起连续 I/O 来，也还是差了很多。
• 此外，连续 I/O 还可以通过预读的方式，来减少 I/O 请求的次数，这也是其性能优异的一个原因。很多性能优化的方案，也都会从这个角度出发，来优化 I/O 性能。

此外，机械磁盘和固态磁盘还分别有一个最小的读写单位。

• 机械磁盘的最小读写单位是扇区，一般大小为 512 字节。
• 而固态磁盘的最小读写单位是页，通常大小是 4KB、8KB 等。

如果每次都读写 512 字节这么小的单位的话，效率很低。所以，文件系统会把连续的扇区或页，组成逻辑块，然后以逻辑块作为最小单元来管理数据。常见的逻辑块的大小是 4KB，也就是说，连续 8 个扇区，或者单独的一个页，都可以组成一个逻辑块。

除了可以按照存储介质来分类，另一个常见的分类方法，是按照接口来分类，比如可以把硬盘分为 IDE（Integrated Drive Electronics）、SCSI（Small Computer System Interface） 、SAS（Serial Attached SCSI） 、SATA（Serial ATA） 、FC（Fibre Channel） 等。

不同的接口，往往分配不同的设备名称。比如， IDE 设备会分配一个 hd 前缀的设备名，SCSI 和 SATA 设备会分配一个 sd 前缀的设备名。如果是多块同类型的磁盘，就会按照 a、b、c 等的字母顺序来编号。

除了磁盘本身的分类外，当你把磁盘接入服务器后，按照不同的使用方式，又可以把它们划分为多种不同的架构。

最简单的，就是直接作为独立磁盘设备来使用。这些磁盘，往往还会根据需要，划分为不同的逻辑分区，每个分区再用数字编号。比如 /dev/sda ，还可以分成两个分区 /dev/sda1 和 /dev/sda2。

另一个比较常用的架构，是把多块磁盘组合成一个逻辑磁盘，构成冗余独立磁盘阵列，也就是 RAID（Redundant Array of Independent Disks），从而可以提高数据访问的性能，并且增强数据存储的可靠性。

根据容量、性能和可靠性需求的不同，RAID 一般可以划分为多个级别，如 RAID0、RAID1、RAID5、RAID10 等。

• RAID0 有最优的读写性能，但不提供数据冗余的功能。
• 而其他级别的 RAID，在提供数据冗余的基础上，对读写性能也有一定程度的优化。

最后一种架构，是把这些磁盘组合成一个网络存储集群，再通过 NFS、SMB、iSCSI 等网络存储协议，暴露给服务器使用。

其实在 Linux 中，磁盘实际上是作为一个块设备来管理的，也就是以块为单位读写数据，并且支持随机读写。每个块设备都会被赋予两个设备号，分别是主、次设备号。主设备号用在驱动程序中，用来区分设备类型；而次设备号则是用来给多个同类设备编号。

二、通用块层

跟虚拟文件系统VFS类似，为了减小不同块设备的差异带来的影响，Linux 通过一个统一的通用块层，来管理各种不同的块设备。

通用块层，其实是处在文件系统和磁盘驱动中间的一个块设备抽象层。它主要有两个功能 。

• 第一个功能，跟虚拟文件系统的功能类似。向上，为文件系统和应用程序，提供访问块设备的标准接口；向下，把各种异构的磁盘设备抽象为统一的块设备，并提供统一框架来管理这些设备的驱动程序。
• 第二个功能，通用块层还会给文件系统和应用程序发来的 I/O 请求排队，并通过重新排序、请求合并等方式，提高磁盘读写的效率。

其中，对 I/O 请求排序的过程，也就是我们熟悉的 I/O 调度。事实上，Linux 内核支持四种 I/O 调度算法，分别是 NONE、NOOP、CFQ 以及 DeadLine。

第一种 NONE ，更确切来说，并不能算 I/O 调度算法。因为它完全不使用任何 I/O 调度器，对文件系统和应用程序的 I/O 其实不做任何处理，常用在虚拟机中（此时磁盘 I/O 调度完全由物理机负责）。

第二种 NOOP ，是最简单的一种 I/O 调度算法。它实际上是一个先入先出的队列，只做一些最基本的请求合并，常用于 SSD 磁盘。

​第三种 CFQ（Completely Fair Scheduler），也被称为完全公平调度器，是现在很多发行版的默认 I/O 调度器，它为每个进程维护了一个 I/O 调度队列，并按照时间片来均匀分布每个进程的 I/O 请求。

​类似于进程 CPU 调度，CFQ 还支持进程 I/O 的优先级调度，所以它适用于运行大量进程的系统，像是桌面环境、多媒体应用等。

​最后一种 DeadLine 调度算法，分别为读、写请求创建了不同的 I/O 队列，可以提高机械磁盘的吞吐量，并确保达到最终期限（deadline）的请求被优先处理。DeadLine 调度算法，多用在 I/O 压力比较重的场景，比如数据库等。

三、I/O栈

我们可以把 Linux 存储系统的 I/O 栈，由上到下分为三个层次，分别是文件系统层、通用块层和设备层。这三个 I/O 层的关系如下图所示，这其实也是 ​​Linux 存储系统的 I/O 栈全景图​​。

根据这张 I/O 栈的全景图，我们可以更清楚地理解，存储系统 I/O 的工作原理。

• 文件系统层，包括虚拟文件系统和其他各种文件系统的具体实现。它为上层的应用程序，提供标准的文件访问接口；对下会通过通用块层，来存储和管理磁盘数据。
• ​通用块层，包括块设备 I/O 队列和 I/O 调度器。它会对文件系统的 I/O 请求进行排队，再通过重新排序和请求合并，然后才要发送给下一级的设备层。
• ​设备层，包括存储设备和相应的驱动程序，负责最终物理设备的 I/O 操作。

​存储系统的 I/O ，通常是整个系统中最慢的一环。所以， Linux 通过多种缓存机制来优化 I/O 效率。

​比方说，为了优化文件访问的性能，会使用页缓存、索引节点缓存、目录项缓存等多种缓存机制，以减少对下层块设备的直接调用。

​同样，为了优化块设备的访问效率，会使用缓冲区，来缓存块设备的数据。

四、小结

​通用块层是 Linux 磁盘 I/O 的核心。向上，它为文件系统和应用程序，提供访问了块设备的标准接口；向下，把各种异构的磁盘设备，抽象为统一的块设备，并会对文件系统和应用程序发来的 I/O 请求进行重新排序、请求合并等，提高了磁盘访问的效率。思考

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