磁盘IO

read 文件一个字节实际会发生多大的磁盘IO？

观察以下代码：

int main() {
    char c;
    f = open("test.txt", O_RDONLY);
    read(f, &c, 1);   
}

上图中的代码仅仅只是对某个文件读取了一个字节，基于这个代码片段我们来思考：

1、读取文件 1 个字节是否会导致磁盘 IO ？

2、如果发生了磁盘 IO，那发生的是多大的 IO ？

Linux IO 栈

观察下图 Linux IO 栈的简化版本：

通过 IO 栈可以看到，我们在应用层简单的一次 read，内核就需要 IO 引擎、VFS、PageCache、通用块管理层、IO 调度层等许多个组件来进行复杂配合才能完成。

1.1 IO 引擎

开发同学想要读写文件的话，在 lib 库层有很多套函数可以选择，比如 read & write，pread & pwrite。这事实上就是在选择 Linux 提供的 IO 引擎。

常见的 IO 引擎种类如下：

开篇中代码片用的 read 函数就属于 sync 引擎。IO 引擎仍然处于上层，它需要内核层的提供的系统调用、VFS、通用块层等更底层组件的支持才能实现。

1.2 系统调用

当进入到系统调用以后，也就进入到了内核层。

系统调用将内核中其它组件的功能进行封装，然后通过接口的形式暴露给用户进程来访问。

1.3 VFS 虚拟文件系统

VFS 的思想就是在 Linux 上抽象一个通用的文件系统模型，对我们开发人员或者是用户提供一组通用的接口，让我们不用 care 具体文件系统的实现。VFS 提供的核心数据结构有四个，它们定义在内核源代码的 include/linux/fs.h 和 include/linux/dcache.h 中。

  • superblock：Linux 用来标注具体已安装的文件系统的有关信息。

  • inode：Linux 中的每一个文件/目录都有一个 inode，记录其权限、修改时间等信息。

  • dentry：目录项，是路径中的一部分，所有的目录项对象串起来就是一棵 Linux 下的目录树。

  • file：文件对象，用来和打开它的进程进行交互。

围绕这这四个核心数据结构，VFS 也都定义了一系列的接口。比如，inode 的操作方法定义 inode_operations，在它的里面定义了我们非常熟悉的 mkdir 和 rename 等。对于 file 对象，定义了对应的操作方法 file_operations。

注意 VFS 是抽象的，所以定义的 read、write 都只是函数指针， 实际中需要具体的文件系统来实现，例如 ext4 等等。

1.4 Page Cache

Page Cache（页高速缓存），是 Linux 内核使用的主要磁盘高速缓存，是一个纯内存的工作组件。Linux 内核使用搜索树来高效管理大量的页面。

有了它，Linux 就可以把一些磁盘上的文件数据保留在内存中，然后来给访问相对比较慢的磁盘来进行访问加速。

当用户要访问的文件的时候，如果要访问的文件 block 正好存在于 Page Cache 内，那么 Page Cache 组件直接把数据从内核态拷贝到用户进程的内存中就可以了。如果不存在，那么会申请一个新页，发出缺页中断，然后用磁盘读取到的 block 内容来填充它，下次直接使用。

看到这里，开篇的问题可能你就明白一半了，如果你要访问的文件近期访问过，那么 Linux 大概率就是从 Page cache 内存中的拷贝给你就完事，并不会有实际的磁盘 IO 发生。

不过有一种情况下，Pagecache 不会生效， 那就是你设置了 DIRECT_IO 标志。

1.5 文件系统

Linux 下支持的文件系统有很多，常用的有 ext2/3/4、XFS、ZFS 等。

要用哪种文件系统是在格式化的时候指定的。因为每一个分区都可以单独进行格式化，所以一台 Linux 机器下可以同时使用多个不同的文件系统。

不同文件系统里提供对 VFS 接口的不同实现。例如在 ext4 中定义的 ext4_file_operations，在其中包含的VFS中定义的 read 函数的具体实现：do_sync_read 和 do_sync_write。

1.6 通用块层

文件系统还要依赖更下层的通用块层。

对上提供一个统一的接口让供文件系统实现者使用，而不用关心不同设备驱动程序的差异，这样实现出来的文件系统就能用于任何的块设备。通过对设备进行抽象后，不管是磁盘还是机械硬盘，对于文件系统都可以使用相同的接口对逻辑数据块进行读写操作。

对下，通过一个队列存放设备的 I/O 请求。它定义了一个叫 bio 的数据结构来表示一次 IO 操作请求（include/linux/bio.h）

1.7 IO 调度层

当通用块层把 IO 请求实际发出以后，并不一定会立即被执行。因为调度层会从全局出发，尽量让整体磁盘 IO 性能最大化。

对于机械硬盘来说，调度层会尽量让磁头类似电梯那样工作，先往一个方向走，到头再回来，这样整体效率会比较高一些。具体的算法有 deadline 和 cfg ，算法细节就不展开了，感兴趣同学可以自行搜索。

对于固态硬盘来说，随机 IO 的问题已经被很大程度地解决了，所以可以直接使用最简单的 noop 调度器。

在你的机器上，通过 dmesg | grep -i scheduler 来查看你的 Linux 支持的调度算法。

通用块层和 IO 调度层一起为上层文件系统屏蔽了底层各种不同的硬盘、U盘的设备差异。

读文件过程

我们已经把 Linux IO 栈里的各个内核组件都简单介绍一遍了。现在我们再从头整体过一下读取文件的过程（代码基于 Linux 6.2）

应用层

int main() {
    char c;
    f = open("test.txt", O_RDONLY);
    read(f, &c, 1);   
}

系统调用

// fs/read_write.c
SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)
{
    // 进入 vfs 系统调用
    ret = vfs_read(f.file, buf, count, ppos);
}

VFS

// fs/read_write.c
ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
    if (file->f_op->read)
		    ret = file->f_op->read(file, buf, count, pos);
}

Page Cache

// mm/filemap.c
static void do_generic_file_read(struct file *filp, loff_t *ppos,
		read_descriptor_t *desc, read_actor_t actor)
{
find_page:
        page = find_get_page(mapping, index);
        if (!page) {
            if (unlikely(page == NULL))
				goto no_cached_page;
        }
        
// 如果 Page 缓存中存在，则拷贝到用户缓存中并返回
page_ok:
        ret = actor(desc, page, offset, nr);
 
// 将文件读到内存 Page
readpage:
        error = mapping->a_ops->readpage(filp, page);
        
// 为 Page 申请内存空间并管理
no_cached_page:
        page = page_cache_alloc_cold(mapping);
        error = add_to_page_cache_lru(page, mapping,
						index, GFP_KERNEL);
}

文件系统

以 ext4 为例：

// fs/ext4/inode.c
static int
ext4_readpages(struct file *file, struct address_space *mapping,
		struct list_head *pages, unsigned nr_pages)
{
	return mpage_readpages(mapping, pages, nr_pages, ext4_get_block);
}

通用块层

// fs/mpage.c
int
mpage_readpages(struct address_space *mapping, struct list_head *pages,
				unsigned nr_pages, get_block_t get_block)
{
    // 向通用块层发起 bio请求
    if (bio)
		mpage_bio_submit(READ, bio);
}

IO调度层

IO调度层通过电梯算法等来调度队列中的 IO请求

驱动程序

驱动程序向磁盘控制发出读取命令控制

磁盘

控制器读取硬盘数据，填充到 Page Cache 中的新页框

回顾开篇问题

回到开篇的第一个问题：读取文件 1 个字节是否会导致磁盘 IO ？

从上述流程中可以看到，如果 Page Cache 命中的话，根本就没有磁盘 IO 产生。

假如 Page Cache 没有命中，那么一定会有传动到机械轴上进行磁盘 IO 吗？

其实也不一定，为什么，因为现在的磁盘本身就会带一块缓存。另外现在的服务器都会组建磁盘阵列，在磁盘阵列里的核心硬件Raid卡里也会集成RAM作为缓存。只有所有的缓存都不命中的时候，机械轴带着磁头才会真正工作。

再看开篇的第二个问题：如果发生了磁盘 IO，那发生的是多大的 IO 呢？

如果所有的 Cache 都没有兜住 IO 读请求，那么我们来看看实际 Linux 会读取多大。真的按我们的需求来，只去读一个字节吗？

整个 IO 过程中涉及到了好几个内核组件。而每个组件之间都是采用不同长度的块来管理磁盘数据的。

  • Page Cache 是以页为单位的，Linux 页大小一般是 4KB

  • 文件系统是以块(block)为单位来管理的。使用 dumpe2fs 可以查看，一般一个块默认是 4KB

  • 通用块层是以段为单位来处理磁盘 IO 请求的，一个段为一个页或者是页的一部分

  • IO 调度程序通过 DMA 方式传输 N 个扇区到内存，扇区一般为 512 字节

  • 硬盘也是采用“扇区”的管理和传输数据的

虽然我们从用户角度确实是只读了 1 个字节，但是在整个内核工作流中，最小的工作单位是磁盘的扇区，为512字节，比1个字节要大的多。

另外 block、Page Cache 等高层组件工作单位更大。其中 Page Cache 的大小是一个内存页 4KB。一般一次磁盘读取会读多个扇区。假设通用块层 IO 的段就是一个内存页的话，一次磁盘 IO 就是 4 KB（读 8 个扇区）。

另外我们没有讲到的是还有一套复杂的预读取的策略。所以，在实践中，可能比 8 更多的扇区来一起被传输到内存中。

参考

张彦飞allen - read 文件一个字节实际会发生多大的磁盘IO

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