Linux之文件IO前世今生

在 Linux之文件系统前世今生（一） VFS中，我们提到了文件的读写，并给出了简要的读写示意图，本文将分析文件I/O的细节。

一、Buffered I/O（缓存I/O）& Directed I/O（直接I/O）

1.1、Page Cache

我们读写一个文件时，会从磁盘加载文件到内存中，以便我们快速读写文件；我们把内存中用于缓存文件的这块区域记为 Page Cache，Page Cache 位于内核态（所以也叫OS cache）。

• page 是内存管理分配的基本单位， Page Cache 由多个 page 构成；
• page 在操作系统中通常为 4KB 大小，而 Page Cache 的大小则为 4KB 的整数倍；
• 更多 page 细节参见 Linux之内存管理前世今生（一）。

1.2、预读

根据程序的局部性原理，加载文件时除了加载文件指定位置内容，同时会加载该位置后续一部分连续内容到内存中，这个机制就是预读。所以 Page Cache 中额外包含了程序后续可能读写的内容。

1.2.1、Page Cache + 预读优势

• 加速数据访问

  由于内存访问比磁盘访问快的多，且预读了后续数据；

• 提高系统磁盘I/O吞吐量

  通过一次 I/O 将多个 page 装入 Page Cache 能够减少磁盘 I/O 次数， 进而提高系统磁盘 I/O 吞吐量；

1.3、Write back（写回）& Write Through（写穿）

由于我们在内核态引入的Page Cache机制，所以我们对文件的读写都是基于Page Cache，但文件最终还是需要持久化到磁盘中去的。Linux 提供两种策略将Page Cache中 脏页（dirty page） 刷回磁盘：

• Write back（写回）

  • 内核线程周期性地将脏页刷回磁盘，Linux 默认采用此策略 ；
  • 该策略存在数据丢失的风险（比如遇到系统宕机、断电），理论上操作系统不宕机，数据就保证会刷回磁盘，即使用户程序崩溃；

• Write Through（写穿）

  • 向用户层提供特定接口，应用程序可主动调用接口来直接刷新数据到磁盘；
  • 以牺牲系统 I/O 吞吐量作为代价，向上层应用确保一旦写入，数据就已经落盘，不会丢失；

1.3.1、Page Cache刷盘涉及的系统调用

Write back（写回）& Write Through（写穿）这两种写策略均依赖系统调用，分为如下3种：

• sync()

  将所有修改过的缓冲区排入写队列，然后就返回了，它并不等实际的写磁盘的操作结束。所以它的返回并不能保证数据的安全性。通常会有一个update系统守护进程每隔30s调用一次sync。

• fsync(fd)

  • 将 fd 代表的文件的脏数据和文件属性全部刷新至磁盘中；
  • 确保一直到写磁盘操作结束才会返回。数据库一般使用 fsync。

• fdatasync(fd)

  • 将 fd 代表的文件的脏数据刷新至磁盘，fdatasync的功能与fsync类似，但是仅仅在必要的情况下才会同步文件属性，因此可以减少一次IO写操作；
  • 举例来说，文件的尺寸（st_size）如果变化，是需要立即同步的，否则OS一旦崩溃，即使文件的数据部分已同步，由于文件属性没有同步，依然读不到修改的内容。而最后访问时间(atime)/修改时间(mtime)是不需要每次都同步的，只要应用程序对这两个时间戳没有苛刻的要求，基本无伤大雅。

1.3.2、Write back 刷盘时机

• Page Cache 脏页数量超过设定阈值;
• Page Cache 脏页缓存超过设定缓存时间；
• 应用程序主动刷盘，即调用 sync()、 fdatasync(fd)、fsync(fd) 三者任一;
• 物理内存分配告警；

1.4、Buffered I/O（缓存I/O）& Directed I/O（直接I/O）

• 前面我们在内核态引入了Page Cache用于加速文件I/O的操作就是 Buffered I/O（缓存I/O）；

• 相反，如果在内核态关闭Page Cache的使用（通过参数O_DIRECT），文件I/O直接与磁盘交互，我们称为Directed I/O（直接I/O）。

问题来了：Page Cache 这么好，什么场景需要关闭？

• Page Cache 位于内核态，对用户态提供的API灵活性差，用户态的应用程序无法对Page Cache 进行个性化定制，比如什么时间刷盘，刷哪些数据……
• Page Cache 容量受限，大文件读写时，很快会把Page Cache消耗完，导致之前缓存的常用的、热点数据被移出内存，下次访问热点数据时产生磁盘I/O，从而降低系统性能；即Page Cache 缓存的是小文件的热点数据。
• 举例：Mysql 中 InnoDB ：
  • Buffer Pool 关闭了Page Cache，即不在内核态缓存数据，直接在用户态缓存数据；
  • redo log buffer 通过参数innodb_flush_log_at_trx_commit（取值为0，1，2）设置为2来开启 Page Cache。

二、Blocking I/O（阻塞I/O）& Non Blocking I/O（非阻塞I/O）

• 前面我们从 Page Cache 的维度，将 I/O分为 缓存I/O 和 直接I/O；
• 接下来，我们从进程阻塞阶段的维度，将 I/O 分为 阻塞I/O 和 非阻塞I/O；

2.1、阻塞定义

阻塞 的主体是进程，当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的。

2.2、阻塞时机

正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使当前进程由运行状态变为阻塞状态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，所以只有处于运行态（获得CPU）的进程，才可能将其转为阻塞状态。

2.3、阻塞I/O

由前面定义，I/O时期待的事件未发生，产生阻塞，那到底期待啥呢？

等待内核将数据准备好，换言之，等待 Page Cache 中有程序请求的数据。

以文件读取为例：当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

第一阶段：等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)。

第二阶段：将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

2.3.1、阻塞I/O vs 非阻塞I/O

当应用程序发起read时，且Page Cache 中没有程序请求的数据时，内核会加载磁盘数据，若加载数据同时，

• read调用立即返回告诉程序，数据没有准备好，这就是非阻塞I/O；

  非阻塞 I/O 在I/O执行的第二个阶段仍然被阻塞了。

• 相反，内核闷声干活，直到数据加载完，并且数据从内核拷贝到应用程序中，才返回，这就是阻塞I/O。

  阻塞 I/O 在I/O执行的两个阶段都被阻塞了。

三、同步 I/O（synchronous I/O）& 异步 I/O（asynchronous I/O）

POSIX（Portable Operating System Interface， 可移植操作系统接口）关于同步I/O和异步I/O的定义如下：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;

An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

说人话就是，同步I/O会阻塞进程，异步I/O不会阻塞进程。
我们之前提到的 阻塞I/O 和 非阻塞I/O 都是同步I/O。

• 阻塞I/O 两个阶段都阻塞；
• 非阻塞I/O 第二个阶段阻塞；

四、小节

• Page Cache 的维度，将 I/O分为 缓存I/O 和 直接I/O；
• 进程阻塞阶段的维度，将 I/O 分为 阻塞I/O 和 非阻塞I/O；
• 进程阻塞的维度，将 I/O 分为 同步I/O 和 异步I/O。

文件 I/O 至此基本介绍完毕，后续会介绍网络 I/O。