深入理解Linux I/O系统

​目录

• 传统的 System Call I/O

• 读操作

• 写操作

• 网络 I/O

• 磁盘 I/O

• 高性能优化的 I/O

• 存储设备的 I/O 栈

• I/O Buffering

传统的 System Call I/O

在 Linux 系统中，传统的访问方式是通过 write() 和 read() 两个系统调用实现的，通过 read() 函数读取文件到到缓存区中，然后通过 write() 方法把缓存中的数据输出到网络端口。

下图分别对应传统 I/O 操作的数据读写流程，整个过程涉及 2 次 CPU 拷贝、2 次 DMA 拷贝，总共 4 次拷贝，以及 4 次上下文切换。

• CPU 拷贝： 由 CPU 直接处理数据的传送，数据拷贝时会一直占用 CPU 的资源。

• DMA 拷贝： 由 CPU 向DMA磁盘控制器下达指令，让 DMA 控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给 CPU，从而减轻了 CPU 资源的占有率。

• 上下文切换： 当用户程序向内核发起系统调用时，CPU 将用户进程从用户态切换到内核态； 当系统调用返回时，CPU 将用户进程从内核态切换回用户态。

读操作

当应用程序执行 read 系统调用读取一块数据的时候，如果这块数据已经存在于用户进程的页内存中，就直接从内存中读取数据。

如果数据不存在，则先将数据从磁盘加载数据到内核空间的读缓存（Read Buffer）中，再从读缓存拷贝到用户进程的页内存中。

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read(file_fd, tmp_buf, len);

基于传统的 I/O 读取方式，read 系统调用会触发 2 次上下文切换，1 次 DMA 拷贝和 1 次 CPU 拷贝。

发起数据读取的流程如下：

1. 用户进程通过 read() 函数向 Kernel 发起 System Call，上下文从 user space 切换为 kernel space。

2. CPU 利用 DMA 控制器将数据从主存或硬盘拷贝到 kernel space 的读缓冲区（Read Buffer）。

3. CP