【操作系统】聊聊磁盘IO是如何工作的

磁盘

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机械磁盘
主要是由盘片和读写磁头组成。数据存储在盘片的的环状磁道上，读写数据前需要移动磁头，先找到对应的磁道，然后才可以访问数据。
如果数据都在同一磁道上，不需要在进行切换磁道，这就是连续IO，可以获得更好的性能。而随机IO性能就比较差。

固态磁盘
固态磁盘不需要寻找磁道，所以随机IO和连续IO性能都不错。

连续IO的性能其实比随机IO性能要好，主要连续IO可以进行预读的操作，这是其中一个性能点，另外随机IO其实还是比连续IO差。

机械磁盘的最小单位是扇区，大小是512字节
固态磁盘的最小单位是页，通常是4KB
而对于机械磁盘，因为扇区单位比较小，为了尽可能提升顺序IO，将8个扇区组成一个4KB的页。

通用块层

通用块层是处于文件系统和磁盘驱动中间的一个块设备抽象层。

对上层的文件系统提供统一块访问标准接口。对下层不同的磁盘设备抽象为统一的块设备。并提供统一的框架管理这些设备的驱动程序。
通用块层会给应用程序和文件系统发送的IO请求排队，通过重排序、请求合并等方式。提高磁盘读写效率。

IO调度算法

NONE 什么也不做，磁盘IO调度由物理机完成。
NOOP 是一个先入先出的队列，做一些基本的请求合并
CFQ 完全公平调度器为每个进程维护一个IO调度队列，并按照时间片均匀分布每个进程IO请求
DeadLine调度算法，为读写请求创建不同的IO队列，提高机械磁盘的吞吐量。

上述其实优点一个是队列，另一个是按照进程粒度进行分配IO请求，另一个就是按照读写粒度进行处理。你看无论是编程类库，还是存储中间件都是相同的思想。

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IO栈

LinuxIO栈分为文件系统层、通用块层、设备层。

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文件系统层，包含虚拟文件系统和其他文件系统的具体实现，为上层应用程序提供标准的文件访问接口，下层通过通用块层来存储和管理磁盘数据
通用块层：块设备IO队列和IO调度器，对文件系统的IO请求进行排队，在通过重新排序和请求合并。
设备层：存储设备和相关驱动程序，最终负责物理设备的IO操作。

存储系统的IO是最慢的地方，所以通过使用各种缓存机制来优化访问文件的性能，减少对下层块设备的直接调用。其中包含页缓存、目录项缓存、索引节点缓存。

磁盘IO观测

# -d -x表示显示所有磁盘I/O的指标
$ iostat -d -x 1

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%util ，就是我们前面提到的磁盘I/O使用率；
r/s+ w/s ，就是 IOPS；
rkB/s+wkB/s ，就是吞吐量；
r_await+w_await ，就是响应时间。

进程IO观测

$ pidstat -d 1

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用户ID（UID）和进程ID（PID）。

每秒读取的数据大小（kB_rd/s），单位是 KB。

每秒发出的写请求数据大小（kB_wr/s），单位是 KB。

每秒取消的写请求数据大小（kB_ccwr/s），单位是 KB。

块I/O延迟（iodelay），包括等待同步块I/O和换入块I/O结束的时间，单位是时钟周期。

小结

本篇主要介绍了磁盘IO的工作原理，主要介绍了文件系统层、通用块层、设备层。而在操作系统内部其实也使用了各种的缓存来提升系统的IO读写效率。最后简要介绍来下常用的IO排查命令 iotop、pidstat -d 1 、iostat -d -x 1