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内功修炼-操作系统之文件管理和IO基础

文件系统基础

磁盘组织与管理

基础IO

在计算机操作系统中，所谓的I/O就是 输入（Input）和输出（Output），也可以理解为读（Read）和写（Write)，针对不同的对象，I/O模式可以划分为磁盘IO模型和网络IO模型。

IO操作会涉及到用户空间和内核空间的转换，先来理解以下规则：

  • 内存空间分为用户空间和内核空间，也称为用户缓冲区和内核缓冲区；
  • 用户的应用程序不能直接操作内核空间，需要将数据从内核空间拷贝到用户空间才能使用；
  • 无论是read操作，还是write操作，都只能在内核空间里执行；
  • 磁盘IO和网络IO请求加载到内存的数据都是先放在内核空间的；

用户空间&内核空间

简单说，内核空间是操作系统内核代码运行的地方，用户空间是用户程序代码运行的地方。当应用进程执行系统调用陷入内核代码中执行时就处于内核态，当应用进程在运行用户代码时就处于用户态。

// 简单看几行代码，分析下是应用程序在用户空间和内核空间之间的切换过程：
str = "i am qige" // 用户空间
x = x + 2
file.write(str) // 切换到内核空间
y = x + 4 // 切换回用户空间

查看 CPU 时间在 User Space 与 Kernel Space 之间的分配情况，可以使用top命令。在第三行中，%Cpu(s): 5.7us(用户空间), 9.2sy(内核空间), 0.0ni, 96.6id(闲置)。

PIO&DMA工作原理

大家都知道一般我们的数据是存储在磁盘上的，应用程序想要读写这些数据肯定就需要加载到内存中。接下来给大家介绍下 PIO 和 DMA 这两种 IO 设备和内存之间的数据传输方式。

PIO缺点：每次IO请求都需要CPU多次参与，效率很低。

DMA（直接内存访问，Direct Memory Access）跟PIO模式相比，DMA就是CPU的一个代理，它负责了一部分的拷贝工作，从而减轻了CPU的负担。需要注意的是，DMA承担的工作是从磁盘的缓冲区到内核缓冲区或网卡设备到内核的soket buffer的拷贝工作，以及内核缓冲区到磁盘缓冲区或内核的 soket buffer 到网卡设备的拷贝工作，而内核缓冲区到用户缓冲区之间的拷贝工作仍然由CPU负责。

缓冲IO和直接IO

用户空间是不能直接访问内核空间的数据的，如果需要访问怎么办？很简单，就需要将数据从内核空间拷贝的用户空间。

  • 缓冲IO：其实就是磁盘中的数据通过 DMA 先拷贝到内核空间，然后再从内核空间拷贝到用户空间。大多数采用此方法。
  • 直接IO：磁盘中的数据直接通过 DMA 拷贝到用户空间。通常由数据库、消息中间件等需要应用程序自己实现数据缓存的管理。

缓冲IO的优缺点

  • 在一定程度上分离了内核空间和用户空间，保护系统本身的运行安全；
  • 因为内核中有缓冲，可以减少读盘的次数，从而提高性能。
  • 数据在传输过程中需要在应用程序地址空间（用户空间）和内核缓冲（内核空间）之间进行多次数据拷贝操作

直接IO的优缺点

  • 最直观目的是减少一次从内核缓冲区到用户程序缓冲的数据复制
  • 如果访问的数据不在应用程序缓冲中，那么每次数据都会直接从磁盘进行加载，这种直接加载会非常缓慢。通常 直接I/O 跟 异步I/O 结合使用会得到较好的性能。

DMA与零拷贝技术

磁盘可以说是计算机系统中最慢的硬件之一，读写速度比内存慢10倍以上，所以针对优化磁盘的技术非常的多，比如：零拷贝，直接I/O,异步I/O等等。

这里我们就以文件传输为切入点，分析I/O工作方式，以及如何优化文件传输的性能。

DMA技术，全称为Direct Memory Access（又称直接内存访问技术）。

没有DMA技术前的I/O过程

  • 首先在用户进程进行read()系统调用的时候，操作系统会由用户态切换到内核态，然后由CPU向磁盘发起IO请求。
  • 磁盘在接收到IO请求以后，进行数据准备工作，将数据放在磁盘控制器缓冲区里。
  • 在数据准备工作完成以后，磁盘向CPU发出IO中断信号。
  • CPU收到中断信号后，会先将磁盘缓冲区中的文件copy到PageCache中，再将数据从PageCache中copy到用户缓冲区中。在这期间CPU是无法执行其他任务的。copy完成之后read()调用返回，操作系统刚从内核态切换回用户态。

故可以得知：在数据传输的过程，需要CPU亲自的去拷贝数据，并且在这期间CPU无法去做其他事情。简单的搬运几个字符没有问题，但是当处理大量数据的时候，如果每次都让CPU来搬运，显然忙不过来。

有DMA技术之后的I/O过程

  • 当有了DMA控制器以后，在进程向CPU发出read()调用以后，CPU向DMA控制器发起IO请求，然后DMA控制器再向磁盘发出IO请求。
  • 当磁盘接收到IO请求以后，会进行数据准备工作，将数据放到磁盘数据缓冲区当中。
  • 当磁盘的数据准备工作完成以后，不再向CPU发出中断信号，而是通知DMA控制器。
  • DMA控制器在接收到通知以后，将数据从磁盘控制器缓冲区中copy到内核缓冲区中。在这期间并不占用CPU，CPU可以处理其他的事情，执行其他的任务。
  • DMA控制器处理完之后向CPU发出中断信号，由CPU将数据从内核缓冲区copy至用户缓冲区中。copy完成之后read()调用返回，操作系统从内核态切换回用户态。

注意：起初的DMA控制器只在主板上，但是现在IO设备越来越多，数据传输的需求也不尽相同，所以现在每个IO设备中都有DMA控制器。

在进行read调用的时候，操作系统由用户态转为内核态，需要进行DMA拷贝和CPU拷贝各一次。（DMA拷贝是指由DMA控制器将磁盘控制器缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区中，CPU拷贝是指将数据从内核缓冲区中copy到用户缓冲区中），在read调用结束以后，操作系统再从内核态切换回用户态。

在进行write调用的时候，操作系统由用户态转为内核态，需要进行CPU拷贝和DMA拷贝各一次。（CPU拷贝是指将用户缓冲区的数据拷贝到socket缓冲区中。而DMA拷贝是指将socket缓冲区中的数据拷贝到网卡中。）

在文件传输场景下，我们无需在用户空间对数据进行再加工。因此用户缓冲区的存在是没有必要的。

如何实现零拷贝

传统 I/O 的工作方式在读写文件时，共发生了四次数据拷贝，两次是DMA拷贝，另外两次则是通过CPU拷贝。要想提高文件传输的性能，就需要减少「用户态与内核态的上下文切换」和「内存拷贝」的次数。

// 传统 I/O 的工作方式是
read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

// mmap + write怎么实现的零拷贝？
mmap() 系统调用函数会直接把内核缓冲区里的数据「映射」到用户空间，这样，操作系统内核与用户空间就不需要再进行任何的数据拷贝操作
buf = mmap(file, len);
write(sockfd, buf, len);

// sendfile怎么实现的零拷贝？
// 在 Linux 内核版本 2.1 中，提供了一个专门发送文件的系统调用函数 sendfile()
// 它可以替代前面的 read() 和 write() 这两个系统调用，这样就可以减少一次系统调用，也就减少了 2 次上下文切换的开销。
// 其次，该系统调用，可以直接把内核缓冲区里的数据拷贝到 socket 缓冲区里，不再拷贝到用户态，这样就只有 2 次上下文切换，和 3 次数据拷贝。
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

// 如果网卡支持SG—DMA，且读写网络数据时，就可以将数据拷贝次数减小为两次。
// 从 Linux 内核 2.4 版本开始起，对于支持网卡支持 SG-DMA 技术的情况下， sendfile() 系统调用的过程发生了点变化
// 可以进一步减少通过 CPU 把内核缓冲区里的数据拷贝到 socket 缓冲区的过程

这就是所谓的零拷贝（Zero-copy）技术，因为我们没有在内存层面去拷贝数据，也就是说全程没有通过 CPU 来搬运数据，所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的。

零拷贝技术的文件传输方式相比传统文件传输的方式，减少了 2 次上下文切换和数据拷贝次数，只需要 2 次上下文切换和数据拷贝次数，就可以完成文件的传输，而且 2 次的数据拷贝过程，都不需要通过 CPU，2 次都是由 DMA 来搬运。

PageCache

零拷贝的内核缓冲区正是使用了PageCache技术。在零拷贝技术中，用PageCache来缓存最近被访问过的数据，当空间不足时淘汰最久未使用的缓存。并且给予局部性原理，进行预读，减少IO次数。

但是在传输大文件的时候，性能损失非常大。因为在传输大文件的时候如果采用PageCache，PageCache容量有限，则PageCache由于长时间被大文件占据，其他热点的小文件可能就无法充分使用到。这样磁盘的读写性能就会降低。并且PageCache中的大文件数据，由于没有享受到缓存带来的好处，但却耗费 DMA 多拷贝到 PageCache 一次，造成资源的浪费。

因此PageCache 被大文件占据，而导致「热点」小文件无法利用到 PageCache，这样在高并发的环境下，会带来严重的性能问题。

大文件传输采用什么实现

核心思想在于：在发起异步IO读以后，不等待数据就位就可以立即返回，然后去处理其他任务。直到收到内核返回的读取成功通知，才去处理数据。这样就解决了高并发场景下零拷贝技术大文件读取的阻塞问题。因此，对于传输大文件，应该使用异步IO＋直接IO的方法。而对于小文件，则应该使用零拷贝。

扩展阅读

操作系统之文件管理，万字长文让你彻底弄懂！！！
《操作系统》——文件管理（上）
《操作系统》——文件管理（下）
《操作系统》——输入输出管理
DMA与零拷贝技术

最后更新于  2024-01-15 02:25:22  并被添加「」标签，已有 1044 位童鞋阅读过。

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