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磁盘I/O子系统

java 2025/8/23 21:09:24

一、数据写入磁盘流程

当执行向磁盘写入数据操作的时候，会发生如下的一系列基本操作。假设文件数据存在于磁盘扇区上，并且已经被读入到页缓存中。

进程使用write()系统调用写入文件。
内核更新映射到文件的page cache。
内核线程pdflush负责把页缓存刷入到磁盘中。
文件系统层把各个块缓存放入一个bio结构，并且提交一个写入到块设备层的请求。
块设备层从上层获得请求，执行I/O elevator操作，把请求放入到I/O请求队列中。
磁盘驱动，例如SCSI或其它特定驱动将会负责写操作。
磁盘驱动固件执行硬件操作，例如寻址、旋转、数据传送到磁盘的扇区

二、物理磁盘结构

磁盘是计算机主要的存储设备，也是计算机的主要构成硬件，磁盘主要由盘片、磁头、磁道、扇区、柱面这几部分组成。

盘片： 磁盘由多个盘片组成，数据存储在这些盘片上，通过盘片的转动来让磁头读取数据的。
磁头： 在需要读取数据的时候，磁头就会移到这个盘片上面读取数据，磁头和盘片之间的距离非常小，但不会接触到盘片。如果出现断电的情况，那么磁头就会从盘片上移开移回到原来的位置。
磁道： 每个盘片就像一个“目标靶盘”，从中心向外分布着一圈圈的圆环，这些圆环被称为磁道。磁道是数据存储的基本单位，每个磁道上可以存储大量的数据。
扇区： 磁道是由一个一个的小圆环组成，每一个圆圈又进行了一个更小的划分，被称为扇区，如下面所示，一个磁道由八个扇区组成，每个扇区存储512个字节数据。
柱面： 柱面是多个盘片的磁道在相同位置的集合，如下面的黄色部分，四个盘面都有这个黄色的磁道，这样黄色部分的四个磁道就形成了一个圆柱体状的柱面。

三、缓存与脏数据

现代处理器的访问速度已经远远超过了主存储器的访问速度，为了解决这个问题，在CPU和内存之间添加一个高速内存，这个高速内存容量小，只用来存储CPU执行时常用的指令。既保证了硬件成本，又提高了CPU的访问速度。

高缓存命中率是提升性能的关键。为了获得高缓存命中率，使用”局部性引用“的技术。这个技术基于如下的原则：
最近使用过的数据即将被使用的可能性很高（时间局部性， temporal locality）。
使用过数据的附近数据被使用的可能性很高（空间局部性， spatial locality）
Linux在很多组件中用到了这个原则，例如页缓存、文件对象缓存（i-node缓存、目录条目缓存等等）、预读缓冲区等。如下图所示：

在进程从磁盘中读数据时，数据被复制到内存中。该进程和其它进程都可以在内存缓存中读取同样的数据副本。当进程尝试改变数据，进程首先修改内存中的数据，这时候，磁盘和内存中的数据就不一致了，内存中的数据就叫做脏缓冲（dirty buffer）。脏缓冲应该尽快同步到磁盘上，否则，如果突然崩溃，内存中的数据会丢失。

同步脏缓冲的进程叫做flush，在Linux内核2.6中，pdflush内核线程负责把数据写入到磁盘上。数据会定时刷新（kupdate），或者当内存中的脏缓冲到了阀值的比例的时候（bdflush）。这个阀值在/proc/sys/vm/dirty_background_ratio文件中。