I/O 机制的介绍（Linux 中直接 I/O 机制的介绍）

IO连接的建立方式

1、缓存IO、流式IO；

2、映射IO、块式IO；

3、直接IO、

IO的方式：

同步、异步、定时刷新；

MMAP与内核空间

mmap使用共享用户空间与内核空间实现；

直接 I/O 的动机

在介绍直接 I/O 之前，这一小节先介绍一下为什么会出现直接 I/O 这种机制，即传统的 I/O 操作存在哪些缺点。

什么是缓存 I/O (Buffered I/O)

缓存 I/O 又被称作标准 I/O，大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中，操作系统会将 I/O 的数据缓存在文件系统的页缓存（ page cache ）中，也就是说，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。缓存 I/O 有以下这些优点：

• 缓存 I/O 使用了操作系统内核缓冲区，在一定程度上分离了应用程序空间和实际的物理设备。
• 缓存 I/O 可以减少读盘的次数，从而提高性能。

当应用程序尝试读取某块数据的时候，如果这块数据已经存放在了页缓存中，那么这块数据就可以立即返回给应用程序，而不需要经过实际的物理读盘操作。当然，如果数据在应用程序读取之前并未被存放在页缓存中，那么就需要先将数据从磁盘读到页缓存中去。对于写操作来说，应用程序也会将数据先写到页缓存中去，数据是否被立即写到磁盘上去取决于应用程序所采用的写操作机制：如果用户采用的是同步写机制（ synchronous writes ）, 那么数据会立即被写回到磁盘上，应用程序会一直等到数据被写完为止；如果用户采用的是延迟写机制（ deferred writes ），那么应用程序就完全不需要等到数据全部被写回到磁盘，数据只要被写到页缓存中去就可以了。在延迟写机制的情况下，操作系统会定期地将放在页缓存中的数据刷到磁盘上。与异步写机制（ asynchronous writes ）不同的是，延迟写机制在数据完全写到磁盘上的时候不会通知应用程序，而异步写机制在数据完全写到磁盘上的时候是会返回给应用程序的。所以延迟写机制本身是存在数据丢失的风险的，而异步写机制则不会有这方面的担心。

缓存 I/O 的缺点

在缓存 I/O 机制中，DMA 方式可以将数据直接从磁盘读到页缓存中，或者将数据从页缓存直接写回到磁盘上，而不能直接在应用程序地址空间和磁盘之间进行数据传输，这样的话，数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和页缓存之间进行多次数据拷贝操作，这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。

对于某些特殊的应用程序来说，避开操作系统内核缓冲区而直接在应用程序地址空间和磁盘之间传输数据会比使用操作系统内核缓冲区获取更好的性能，下边这一小节中提到的自缓存应用程序就是其中的一种。

Linux 2.6 中的直接 I/O 技术

Linux 2.6 中提供的几种文件访问方式

所有的 I/O 操作都是通过读文件或者写文件来完成的。在这里，我们把所有的外围设备，包括键盘和显示器，都看成是文件系统中的文件。访问文件的方法多种多样，这里列出下边这几种 Linux 2.6 中支持的文件访问方式。

标准访问文件的方式

在 Linux 中，这种访问文件的方式是通过两个系统调用实现的：read() 和 write()。当应用程序调用 read() 系统调用读取一块数据的时候，如果该块数据已经在内存中了，那么就直接从内存中读出该数据并返回给应用程序；如果该块数据不在内存中，那么数据会被从磁盘上读到页高缓存中去，然后再从页缓存中拷贝到用户地址空间中去。如果一个进程读取某个文件，那么其他进程就都不可以读取或者更改该文件；对于写数据操作来说，当一个进程调用了 write() 系统调用往某个文件中写数据的时候，数据会先从用户地址空间拷贝到操作系统内核地址空间的页缓存中去，然后才被写到磁盘上。但是对于这种标准的访问文件的方式来说，在数据被写到页缓存中的时候，write() 系统调用就算执行完成，并不会等数据完全写入到磁盘上。Linux 在这里采用的是我们前边提到的延迟写机制（ deferred writes ）。

图 1. 以标准的方式对文件进行读写

同步访问文件的方式

同步访问文件的方式与上边这种标准的访问文件的方式比较类似，这两种方法一个很关键的区别就是：同步访问文件的时候，写数据的操作是在数据完全被写回磁盘上才算完成的；而标准访问文件方式的写数据操作是在数据被写到页高速缓冲存储器中的时候就算执行完成了。

图 2. 数据同步写回磁盘

内存映射方式

在很多操作系统包括 Linux 中，内存区域（ memory region ）是可以跟一个普通的文件或者块设备文件的某一个部分关联起来的，若进程要访问内存页中某个字节的数据，操作系统就会将访问该内存区域的操作转换为相应的访问文件的某个字节的操作。Linux 中提供了系统调用 mmap() 来实现这种文件访问方式。与标准的访问文件的方式相比，内存映射方式可以减少标准访问文件方式中 read() 系统调用所带来的数据拷贝操作，即减少数据在用户地址空间和操作系统内核地址空间之间的拷贝操作。映射通常适用于较大范围，对于相同长度的数据来讲，映射所带来的开销远远低于 CPU 拷贝所带来的开销。当大量数据需要传输的时候，采用内存映射方式去访问文件会获得比较好的效率。

图 3. 利用 mmap 代替 read

直接 I/O 方式

凡是通过直接 I/O 方式进行数据传输，数据均直接在用户地址空间的缓冲区和磁盘之间直接进行传输，完全不需要页缓存的支持。操作系统层提供的缓存往往会使应用程序在读写数据的时候获得更好的性能，但是对于某些特殊的应用程序，比如说数据库管理系统这类应用，他们更倾向于选择他们自己的缓存机制，因为数据库管理系统往往比操作系统更了解数据库中存放的数据，数据库管理系统可以提供一种更加有效的缓存机制来提高数据库中数据的存取性能。

图 4. 数据传输不经过操作系统内核缓冲区

异步访问文件的方式

Linux 异步 I/O 是 Linux 2.6 中的一个标准特性，其本质思想就是进程发出数据传输请求之后，进程不会被阻塞，也不用等待任何操作完成，进程可以在数据传输的时候继续执行其他的操作。相对于同步访问文件的方式来说，异步访问文件的方式可以提高应用程序的效率，并且提高系统资源利用率。直接 I/O 经常会和异步访问文件的方式结合在一起使用。

图 5.CPU 处理其他任务和 I/O 操作可以重叠执行

在下边这一小节中，我们会重点介绍 Linux 2.6 内核中直接 I/O 的设计与实现。

Linux 2.6 中直接 I/O 的设计与实现

在块设备或者网络设备中执行直接 I/O 完全不用担心实现直接 I/O 的问题，Linux 2.6 操作系统内核中高层代码已经设置和使用了直接 I/O，驱动程序级别的代码甚至不需要知道已经执行了直接 I/O；但是对于字符设备来说，执行直接 I/O 是不可行的，Linux 2.6 提供了函数 get_user_pages() 用于实现直接 I/O。本小节会分别对这两种情况进行介绍。　

内核为块设备执行直接 I/O 提供的支持

要在块设备中执行直接 I/O，进程必须在打开文件的时候设置对文件的访问模式为 O_DIRECT，这样就等于告诉操作系统进程在接下来使用 read() 或者 write() 系统调用去读写文件的时候使用的是直接 I/O 方式，所传输的数据均不经过操作系统内核缓存空间。使用直接 I/O 读写数据必须要注意缓冲区对齐（ buffer alignment ）以及缓冲区的大小的问题，即对应 read() 以及 write() 系统调用的第二个和第三个参数。这里边说的对齐指的是文件系统块大小的对齐，缓冲区的大小也必须是该块大小的整数倍。

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-directio/