24-基础篇：Linux磁盘I/O是怎么工作的(上)

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磁盘

按照存储介质分类：机械磁盘和固态磁盘

1. 机械磁盘，也称为硬盘驱动器，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

   连续I/O，请求刚好连续，那就不需要磁道寻址，可以获得最佳性能

   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

2. 固态磁盘，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

1. 对机械磁盘来说，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
2. 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
   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

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

按照接口分类：

可以把硬盘分为IDE、SCSI 、SAS、SATA 、FC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

按照使用方式划分为多种不同的架构：

1. 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
   例如/dev/sda，还可以分成两个分区/dev/sda1和/dev/sda2
2. RAID冗余独立磁盘阵列。
   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
   1. RAID0有最优的读写性能，但不提供数据冗余的功能
   2. 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
3. 磁盘组合成一个网络存储集群。
   通过 NFS、SMB、iSCSI 等网 络存储协议，暴露给服务器使用

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

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：

1. 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
2. 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，就是I/O调度，事实上，Linux内核支持四种I/O调度算法

1. 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）
2. 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
3. CFQ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
4. 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

I/O栈

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，可以更清楚地理解存储系统I/O的工作原理

1. 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
2. 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
3. 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

小结

由文件系统层、通用块层和设备层构成的Linux存储系统I/O栈

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