Linux核心设计依据（六）该块I/O一层

块设备是能随机存取装置固定大小的数据表设备。如硬盘；字符设备（如串口和键盘）它是按照字符流进入有序进行。不同之处在于是否足够的随机存取数据——这时候，你可以随心所欲地从一个位置跳到访问设备和位置。复杂多，实际上内核在块设备上下了大工夫——块I/O层。

基础概念

• 块设备中最小的可寻址单元是扇区。
• 文件系统的最小寻址单元是块。

• 所谓的缓冲区是块在内存中的表示。
• 对于一个缓冲区（块），内核须要知道它的控制信息。这时须要一个结构进行描写叙述——缓冲区头。

I/O调度机制

首先，这里的I/O调度指的是磁盘调度。磁盘寻址是非常耗时的一项操作。对于同一时候存在的各种磁盘I/O请求，我们须要利用一些I/O调度程序实现最省时的请求处理——I/O调度程序让整个请求队列按扇区增长方向有序排列。使全部请求按硬盘上扇区的排列顺序有序排列的目的不仅是为了缩短单独一次请求的寻址时间，更重要的优化在于，通过保持磁盘头以直线方向移动，缩短了全部请求的磁盘寻址时间。

该排序算法类似于电梯调度——电梯不能任意地从一层跳到还有一层，它应该向一个方向移动。当抵达了同一方向上的最后一层后，再掉头向还有一个方向移动。所以I/O调度程序称作电梯调度。

另外出了排序，合并也是一种降低磁盘寻址时间的方法。合并是将两个或多个请求结合成一个新请求，这样将多次请求的开销压缩成一次请求的开销，更重要的是，请求合并后仅仅须要传递给磁盘一条寻址命令。就能够訪问到请求合并前必须要多次寻址才干訪问完的磁盘区域，总之降低了磁盘寻址次数。

排序。降低寻址时间。而合并，降低寻址次数，二者共同作为I/O调度程序的准则。

以下看一下五个Linux实际使用的I/O调度程序。

（1）Linus电梯

当一个请求增加到队列中时。有可能发生四种操作：

• 假设队列中已存在一个对相邻磁盘扇区操作的请求。那么新请求将和这个已经存在的请求合并成一个请求。
• 假设队列中存在一个驻留时间过长的请求，那么新请求将被插入到队列尾部，以防止其它旧的请求饥饿发生。
• 假设队列中以扇区方向为序存在合适的插入位置。那么新的请求将被插入到该位置，保证队列中的请求是以被訪问磁盘物理位置为序进行排列的。
• 假设队列中不存在合适的请求插入位置。请求将被插入到队列尾部。

（2）终于期限I/O调度程序

对磁盘同一位置的连续请求造成较远位置的其它请求永远得不到执行机会，这是一种非常不公平的饥饿现象。

在最后期限I/O调度中。每一个请求都有一个超时时间，默认情况下。读请求的超时时间是500ms。写请求的是5s，最后期限I/O调度请求类似于Linus电梯，也以磁盘物理位置为次序维护请求队列，这个队列称为排序队列。当一个新请求递交给排序队列时，最后期限I/O调度程序在执行合并和插入请求时类似于Linus电梯，可是最后期限I/O同一时候也会以请求类型为根据将它们插入到额外队列中。

读请求按次序被插入到特定的读FIFO队列中，写请求按次序插入到特定的写FIFO队列中，尽管普通队列以磁盘扇区为序进行排列。可是这些队列是以FIFO（以时间为序）组织的，结果新队列总是被增加到队列尾部，对于普通操作来说。最后期限I/O将请求从排序队列头部取下。再推入到派发队列，由派发队列将请求提交给磁盘驱动。从而保证了最小化的请求寻址。

而最后期限I/O的超时体如今读写FIFO队列头的请求超时时。调度程序便会提取请求进行服务。这样不用操心有请求不能得到服务的不公平现象。

（3）预測I/O调度程序

基本上同终于期限。只是它能进行预測。假设读请求一个接着一个，对于终于期限来说要不停地为读请求寻址。而且中断正在进行的写请求，这会损害系统全局吞吐量。假设我们能等待，将一个接着一个的读请求进行统一寻址，这会避免大量的寻址操作。在一个请求提交后，预測会接着有I/O请求在等待期到来。从而有意等待片刻（不是一提交请求就立马返回处理其它请求），这便是预測I/O的巧妙之处。

这样的预測依靠一系列的启示和统计工作。

（4）全然公正的排队I/O调度程序

它给每个进程维护一个队列，请求增加队列后的操作同Linus电梯的四种操作，这事实上在进程级提供了公平。

（5）空操作的I/O调度程序

不进行排序。也不预測。它仅仅进行合并——将相邻请求合并。而且维护请求队列以近乎FIFO的顺序排列。

版权声明：本文博主原创文章。博客，未经同意不得转载。