上一節，我們學習了 Linux 文件系統的工作原理。簡單回顧一下，文件系統是對存儲設備上的文件，進行組織管理的一種機制。而 Linux 在各種文件系統實現上，又抽象了一層虛擬文件系統 VFS，它定義了一組，所有文件系統都支持的，數據結構和標準接口。這樣，對應用程序來說，只需要跟 VFS 提供的統一接口交互，而不需要關注文件系統的具體實現；對具體的文件系統來說，只需要按照 VFS 的標準，就可以無縫支持各種應用程序。VFS 內部又通過目錄項、索引節點、邏輯塊以及超級塊等數據結構，來管理文件。

• 目錄項，記錄了文件的名字，以及文件與其他目錄項之間的目錄關系。
• 索引節點，記錄了文件的元數據。
• 邏輯塊，是由連續磁盤扇區構成的最小讀寫單元，用來存儲文件數據。
• 超級塊，用來記錄文件系統整體的狀態，如索引節點和邏輯塊的使用情況等。

其中，目錄項是一個內存緩存；而超級塊、索引節點和邏輯塊，都是存儲在磁盤中的持久化數據。那么，進一步想，磁盤又是怎么工作的呢？又有哪些指標可以用來衡量它的性能呢？接下來，我就帶你一起看看， Linux 磁盤 I/O 的工作原理。

磁盤

磁盤是可以持久化存儲的設備，根據存儲介質的不同，常見磁盤可以分為兩類：機械磁盤和固態磁盤。

根據存儲介質

機械磁盤

第一類，機械磁盤，也稱為硬盤驅動器(Hard Disk Driver)，通常縮寫為 HDD。機械磁盤主要由盤片和讀寫磁頭組成，數據就存儲在盤片的環狀磁道中。在讀寫數據前，需要移動讀寫磁頭，定位到數據所在的磁道，然后才能訪問數據。顯然，如果 I/O 請求剛好連續，那就不需要磁道尋址，自然可以獲得最佳性能。這其實就是我們熟悉的，連續 I/O 的工作原理。與之相對應的，當然就是隨機 I/O，它需要不停地移動磁頭，來定位數據位置，所以讀寫速度就會比較慢。

固態磁盤

第二類，固態磁盤(Solid State Disk)，通常縮寫為 SSD，由固態電子元器件組成。固態磁盤不需要磁道尋址，所以，不管是連續 I/O，還是隨機 I/O 的性能，都比機械磁盤要好得多。其實，無論機械磁盤，還是固態磁盤，相同磁盤的隨機 I/O 都要比連續 I/O 慢很多，原因也很明顯。

• 對機械磁盤來說，我們剛剛提到過的，由于隨機 I/O 需要更多的磁頭尋道和盤片旋轉，它的性能自然要比連續 I/O 慢。
• 而對固態磁盤來說，雖然它的隨機性能比機械硬盤好很多，但同樣存在“先擦除再寫入”的限制。隨機讀寫會導致大量的垃圾回收，所以相對應的，隨機 I/O 的性能比起連續 I/O 來，也還是差了很多。
• 此外，連續 I/O 還可以通過預讀的方式，來減少 I/O 請求的次數，這也是其性能優異的一個原因。很多性能優化的方案，也都會從這個角度出發，來優化 I/O 性能。

此外，機械磁盤和固態磁盤還分別有一個最小的讀寫單位。

• 機械磁盤的最小讀寫單位是扇區，一般大小為 512 字節。
• 而固態磁盤的最小讀寫單位是頁，通常大小是 4KB、8KB 等。

在上一節中，我也提到過，如果每次都讀寫 512 字節這么小的單位的話，效率很低。所以，文件系統會把連續的扇區或頁，組成邏輯塊，然后以邏輯塊作為最小單元來管理數據。常見的邏輯塊的大小是 4KB，也就是說，連續 8 個扇區，或者單獨的一個頁，都可以組成一個邏輯塊。

按照接口來分類

除了可以按照存儲介質來分類，另一個常見的分類方法，是按照接口來分類，比如可以把硬盤分為 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，往往分配不同的設備名稱。比如， IDE 設備會分配一個 hd 前綴的設備名，SCSI 和 SATA 設備會分配一個 sd 前綴的設備名。如果是多塊同類型的磁盤，就會按照 a、b、c 等的字母順序來編號。除了磁盤本身的分類外，當你把磁盤接入服務器后，按照不同的使用方式，又可以把它們劃分為多種不同的架構。最簡單的，就是直接作為獨立磁盤設備來使用。這些磁盤，往往還會根據需要，劃分為不同的邏輯分區，每個分區再用數字編號。比如我們前面多次用到的 /dev/sda ，還可以分成兩個分區 /dev/sda1 和 /dev/sda2。另一個比較常用的架構，是把多塊磁盤組合成一個邏輯磁盤，構成冗余獨立磁盤陣列，也就是 RAID(Redundant Array of Independent Disks)，從而可以提高數據訪問的性能，并且增強數據存儲的可靠性。根據容量、性能和可靠性需求的不同，RAID 一般可以劃分為多個級別，如 RAID0、RAID1、RAID5、RAID10 等。

• RAID0 有最優的讀寫性能，但不提供數據冗余的功能。
• 而其他級別的 RAID，在提供數據冗余的基礎上，對讀寫性能也有一定程度的優化。

最后一種架構，是把這些磁盤組合成一個網絡存儲集群，再通過 NFS、SMB、iSCSI 等網絡存儲協議，暴露給服務器使用。其實在 Linux 中，磁盤實際上是作為一個塊設備來管理的，也就是以塊為單位讀寫數據，并且支持隨機讀寫。每個塊設備都會被賦予兩個設備號，分別是主、次設備號。主設備號用在驅動程序中，用來區分設備類型；而次設備號則是用來給多個同類設備編號。

通用塊層

跟我們上一節講到的虛擬文件系統 VFS 類似，為了減小不同塊設備的差異帶來的影響，Linux 通過一個統一的通用塊層，來管理各種不同的塊設備。通用塊層，其實是處在文件系統和磁盤驅動中間的一個塊設備抽象層。它主要有兩個功能 。

• 第一個功能跟虛擬文件系統的功能類似。向上，為文件系統和應用程序，提供訪問塊設備的標準接口；向下，把各種異構的磁盤設備抽象為統一的塊設備，并提供統一框架來管理這些設備的驅動程序。
• 第二個功能，通用塊層還會給文件系統和應用程序發來的 I/O 請求排隊，并通過重新排序、請求合并等方式，提高磁盤讀寫的效率。

四種 I/O 調度算法

其中，對 I/O 請求排序的過程，也就是我們熟悉的 I/O 調度。事實上，Linux 內核支持四種 I/O 調度算法，分別是 NONE、NOOP、CFQ 以及 DeadLine。這里我也分別介紹一下。

• 第一種 NONE ，更確切來說，并不能算 I/O 調度算法。因為它完全不使用任何 I/O 調度器，對文件系統和應用程序的 I/O 其實不做任何處理，常用在虛擬機中(此時磁盤 I/O 調度完全由物理機負責)。
• 第二種 NOOP ，是最簡單的一種 I/O 調度算法。它實際上是一個先入先出的隊列，只做一些最基本的請求合并，常用于 SSD 磁盤。
• 第三種 CFQ(Completely Fair Scheduler)，也被稱為完全公平調度器，是現在很多發行版的默認 I/O 調度器，它為每個進程維護了一個 I/O 調度隊列，并按照時間片來均勻分布每個進程的 I/O 請求。類似于進程 CPU 調度，CFQ 還支持進程 I/O 的優先級調度，所以它適用于運行大量進程的系統，像是桌面環境、多媒體應用等。
• 最后一種 DeadLine 調度算法，分別為讀、寫請求創建了不同的 I/O 隊列，可以提高機械磁盤的吞吐量，并確保達到最終期限(deadline)的請求被優先處理。DeadLine 調度算法，多用在 I/O 壓力比較重的場景，比如數據庫等。

I/O 棧

清楚了磁盤和通用塊層的工作原理，再結合上一期我們講過的文件系統原理，我們就可以整體來看 Linux 存儲系統的 I/O 原理了。我們可以把 Linux 存儲系統的 I/O 棧，由上到下分為三個層次，分別是文件系統層、通用塊層和設備層。這三個 I/O 層的關系如下圖所示，這其實也是 Linux 存儲系統的 I/O 棧全景圖。(圖片來自 Linux Storage Stack Diagram )根據這張 I/O 棧的全景圖，我們可以更清楚地理解，存儲系統 I/O 的工作原理。

• 文件系統層，包括虛擬文件系統和其他各種文件系統的具體實現。它為上層的應用程序，提供標準的文件訪問接口；對下會通過通用塊層，來存儲和管理磁盤數據。
• 通用塊層，包括塊設備 I/O 隊列和 I/O 調度器。它會對文件系統的 I/O 請求進行排隊，再通過重新排序和請求合并，然后才要發送給下一級的設備層。
• 設備層，包括存儲設備和相應的驅動程序，負責最終物理設備的 I/O 操作。

存儲系統的 I/O ，通常是整個系統中最慢的一環。所以， Linux 通過多種緩存機制來優化 I/O 效率。比方說，為了優化文件訪問的性能，會使用頁緩存、索引節點緩存、目錄項緩存等多種緩存機制，以減少對下層塊設備的直接調用。同樣，為了優化塊設備的訪問效率，會使用緩沖區，來緩存塊設備的數據。不過，抽象的原理講了這么多，具體操作起來，應該怎么衡量磁盤的 I/O 性能呢？我先賣個關子，下節課我們一起來看，最常用的磁盤 I/O 性能指標，以及 I/O 性能工具。

小結

在今天的文章中，我們梳理了 Linux 磁盤 I/O 的工作原理，并了解了由文件系統層、通用塊層和設備層構成的 Linux 存儲系統 I/O 棧。其中，通用塊層是 Linux 磁盤 I/O 的核心。向上，它為文件系統和應用程序，提供訪問了塊設備的標準接口；向下，把各種異構的磁盤設備，抽象為統一的塊設備，并會對文件系統和應用程序發來的 I/O 請求進行重新排序、請求合并等，提高了磁盤訪問的效率。思考最后，我想邀請你一起來聊聊，你所理解的磁盤 I/O。我相信你很可能已經碰到過，文件或者磁盤的 I/O 性能問題，你是怎么分析這些問題的呢？你可以結合今天的磁盤 I/O 原理和上一節的文件系統原理，記錄你的操作步驟，并總結出自己的思路。有一個糾正一下：ISCSI訪問的是塊設備，不是NAS。作者回復: 是的，這里有些不準確，原來的意思是想表達網絡存儲，用 NAS 這樣的專業術語就不準確了。謝謝指出。通用塊層是屬于內核調度嗎？raid 應該屬于哪一層？作者回復: 嗯，是的。RAID分軟件RAID和硬件RAID，其中軟件RAID屬于bio層

總結

以上是生活随笔為你收集整理的24丨基础篇：Linux磁盘I-O是怎么工作的（上）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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