文件I/O原理


http://www.importnew.com/14111.html#buffer_handling

本博文主要讨论I/O在底层是如何工作的。本文服务的读者,迫切希望了解Java I/O操作是在机器层面如何进行映射,以及应用运行时硬件都做了什么。假定你熟悉基本的I/O操作,比如通过Java I/O API读写文件。这些内容不在本文的讨论范围。

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缓存处理和内核vs用户空间

缓冲与缓冲的处理方式,是所有I/O操作的基础。术语“输入、输出”只对数据移入和移出缓存有意义。任何时候都要把它记在心中。通常,进程执行操作系统的I/O请求包括数据从缓冲区排出(写操作)和数据填充缓冲区(读操作)。这就是I/O的整体概念。在操作系统内部执行这些传输操作的机制可以非常复杂,但从概念上讲非常简单。我们将在文中用一小部分来讨论它。

上图显示了一个简化的“逻辑”图,它表示块数据如何从外部源,例如一个磁盘,移动到进程的存储区域(例如RAM)中。首先,进程要求其缓冲通过read()系统调用填满。这个系统调用导致内核向磁盘控 制硬件发出一条命令要从磁盘获取数据。磁盘控制器通过DMA直接将数据写入内核的内存缓冲区,不需要主CPU进一步帮助。当请求read()操作时,一旦磁盘控制器完成了缓存的填 写,内核从内核空间的临时缓存拷贝数据到进程指定的缓存中。

有一点需要注意,在内核试图缓存及预取数据时,内核空间中进程请求的数据可能已经就绪了。如果这样,进程请求的数据会被拷贝出来。如果数据不可用,则进程被挂起。内核将把数据读入内存。

虚拟内存

你可能已经多次听说过虚拟内存了。让我再介绍一下。

所有现代操作系统都使用虚拟内存。虚拟内存意味着人工或者虚拟地址代替物理(硬件RAM)内存地址。虚拟地址有两个重要优势:

  1. 多个虚拟地址可以映射到相同的物理地址。
  2. 一个虚拟地址空间可以大于实际可用硬件内存。

在上面介绍中,从内核空间拷贝到最终用户缓存看起来增加了额外的工作。为什么不告诉磁盘控制器直接发送数据到用户空间的缓存呢?好吧,这是由虚拟内存实现的。用到了上面的优势1。

通过将内核空间地址映射到相同的物理地址作为一个用户空间的虚拟地址,DMA硬件(只能访问物理内存地址)可以填充缓存。这个缓存同时对内核和用户空间进程可见。

这就消除了内核和用户空间之间的拷贝,但是需要内核和用户缓冲区使用相同的页面对齐方式。缓冲区必须使用的块大小的倍数磁盘控制器(通常是512字节的磁盘扇区)。操作系统将其内存地址空间划分为页面,这是固定大小的字节组。这些内存页总是磁盘块大小的倍数和通常为2倍(简化寻址)。典型的内存页面大小是1024、2048和4096字节。虚拟和物理内存页面大小总是相同的。

内存分页

为了支持虚拟内存的第2个优势(拥有大于物理内 存的可寻址空间)需要进行虚拟内存分页(通常称为页交换)。这种机制凭借虚拟内存空间的页可以持久保存在外部磁盘存储,从而为其他虚拟页放入物理内存提供了空间。本质上讲,物理内存担当了分页区域的缓存。分页区是磁盘上的空间,内存页的内容被强迫交换出物理内存时会保存到这里。

调整内存页面大小为磁盘块大小的倍数,让内核可以直接发送指令到磁盘控制器硬件,将内存页写到磁盘或者在需要时重新加载。事实证明,所有的磁盘I/O操作都是在页面级别上完成的。这是数据在现代分页操作系统上在磁盘与物理内存之间移动的唯一方式。

现代CPU包含一个名为内存管理单元(MMU)的子系统。这 个设备逻辑上位于CPU与物理内存之间。它包含从虚拟地址向物理内存地址转化的映射信息。当CPU引用一个内存位置时,MMU决定哪些页需要驻留(通常通过移位或屏蔽地址的某些位)以及转化虚拟页号到物理页号(由硬件实现,速度奇快)。

面向文件、块I/O

文件I/O总是发生在文件系统的上下文切换中。文件系统跟磁盘是完全不同的事物。磁盘按段存储数据,每段512字节。它是硬件设备,对保存的文件语义一无所知。它们只是提供了一定数量的可以保存数据的插槽。从这方面来说,一个磁盘的段与 内存分页类似。它们都有统一的大小并且是个可寻址的大数组。

另一方面,文件系统是更高层抽象。文件系统是安排和翻译保存磁盘(或其它可随机访问,面向块的设备)数据的一种特殊方法。你写的代码几乎总是与文件系统交互,而不与磁盘直接交互。文件系统定义了文件名、路径、文件、文件属性等抽象。

一个文件系统组织(在硬盘中)了一系列均匀大小的数据块。有些块保存元信息,如空闲块的映射、目录、索引等。其它块包含实际的文件数据。单个文件的元信息描述哪些块包含文件数据、数据结束位置、最后更新时间等。当用户进程发送请求来读取文件数据时,文件系统实现准确定位数据在磁盘上的位置。然后采取行动将这些磁盘扇区放入内存中。

文件系统也有页的概念,它的大小可能与一个基本内存页面大小相同或者是它的倍数。典型的文件系统页面大小范围从2048到8192字节,并且总是一个基本内存页面大小的倍数。

分页文件系统执行I/O可以归结为以下逻辑步骤:

  1. 确定请求跨越了哪些文件系统分页(磁盘段的集合)。磁盘上的文件内容及元数据可能分布在多个文件系统页面上,这些页面可能是不连续的。
  2. 分配足够多的内核空间内存页面来保存相同的文件系统页面。
  3. 建立这些内存分页与磁盘上文件系统分页的映射。
  4. 对每一个内存分页产生分页错误。
  5. 虚拟内存系统陷入分页错误并且调度pagins(页面调入),通过从磁盘读取内容来验证这些页面。
  6. 一旦pageins完成,文件系统分解原始数据来提取请求的文件内容或属性信息。

需要注意的是,这个文件系统数据将像其它内存页一样被缓存起来。在随后的I/O请求中,一些数据或所有文件数据仍然保存在物理内存中,可以直接重用不需要从磁盘重读。

文件锁定

文件加锁是一种机制,一个进程可以阻止其它进程访问一个文件或限制其它进程访问该文件。虽然名为“文件锁定”,意味着锁定整个文件(经常做的)。锁定通常可以在一个更细粒度的水平。随着粒度下降到字节级,文件的区域通常会被锁定。锁与特定文件相关联,起始于文件的指定字节位置并运行到指定的字节范围。这一点很重要,因为它允许多个进程协作访问文件的特定区域而不妨碍别的进程在文件其它位置操作。

文件锁有两种形式:共享独占。多个共享锁可以同时在相同的文件区域有效。另一方面,独占锁要求没有其它锁对请求的区域有效。

流I/O

并非所有的I/O是面向块的。还有流I/O,它是管道的原型,必须顺序访问I/O数据流的字节。常见的数据流有TTY(控制台)设备、打印端口和网络连接。

数据流通常但不一定比块设备慢,提供间歇性输入。大多数操作系统允许在非阻塞模式下工作。允许一个进程检查数据流的输入是否可用,不必在不可用时发生阻塞。这种管理允许进程在输入到达时进行处理,在输入流空闲时可以执行其他功能。

比非阻塞模式更进一步的是有条件的选择(readiness selection)。它类似于非阻塞模式(并且通常建立在非阻塞模式基础上),但是减轻了操作系统检查流是否就绪准的负担。操作系统可以被告知观察流集合,并向进程返回哪个流准备好的指令。这种能力允许进程通过利用操作系统返回 的准备信息,使用通用代码和单个线程复用多个活动流。这种方式被广泛用于网络服务器,以便处理大量的网络连接。准备选择对于大容量扩展是至关重要的。

<think>首先,用户的问题是:“我想理解文件I/O的基本概念 请问文件I/O的定义和工作原理”。我需要基于系统级指令和用户可见层来构建回答。 系统级指令: - 所有行内数学表达式使用 $...$ 格式。 - 独立公式使用 $$...$$ 格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如: [^1] 用户可见层: - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 - 尽量保证回答真实可靠。 - 参考站内引用:有四个引用,我需要整合这些信息。 站内引用: - [^1]: 关于I/O设备的概念、分类、控制器、控制方式、软件层次结构等。 - [^2]: 标准I/O库接口,文件指针FILE,流stream。 - [^3]: I/O基本概念、I/O设备、I/O接口、I/O总线、I/O软件。 - [^4]: Linux下的I/O栈层次:文件系统层、块层、设备层。 用户的问题是关于文件I/O的定义和工作原理,所以我需要专注于文件I/O,而不是一般的I/O。 关键点: - **定义**:文件I/O是输入/输出操作,涉及从文件读取数据或向文件写入数据。 - **工作原理**:涉及操作系统、文件系统、硬件交互等。 从引用中提取相关信息: - 引用[2]:标准I/O库提供缓冲接口,使用文件指针FILE和流stream的概念。 - 引用[4]:描述了Linux下的I/O栈:文件系统层、块层、设备层。 - 引用[1]和[3]:提供一般I/O背景,如I/O控制器、控制方式等。 我需要构建一个结构清晰的回答: 1. **定义文件I/O**:解释什么是文件I/O。 2. **工作原理**:逐步解释如何工作,包括用户空间到内核空间的交互。 3. **参考引用**:自然地添加引用标识。 最后,生成相关问题。 回答结构: - 开头:定义文件I/O。 - 主体:解释工作原理,分步骤。 - 结尾:总结。 - 然后:生成相关问题。 使用中文。 确保没有数学表达式,但如果有,使用正确格式。用户问题中没有明显的数学,所以可能不需要。 工作原理部分可以描述层次: - 用户空间:应用程序调用I/O函数(如标准I/O库)。 - 内核空间:文件系统层、块层、设备层。 - 硬件:实际设备交互。 从引用[4]:文件系统层处理缓存,块层管理队列,设备层处理DMA。 引用[2]:标准I/O库提供缓冲。 所以,整合: 1. **定义**:文件I/O是计算机系统中用于读取和写入文件的操作。 2. **工作原理**: - 用户调用库函数(如fopen, fread)。 - 标准I/O库处理缓冲(引用[2])。 - 系统调用进入内核。 - 内核的文件系统层管理缓存(引用[4])。 - 块层优化I/O请求。 - 设备层使用DMA与硬件交互。 - 数据流动路径。 添加引用标识: - 当提到特定概念时,自然地添加[^2]或[^4]。 生成相关问题: - 基于主题,如性能优化、控制方式等。 完整回答框架: 1. 文件I/O的定义。 2. 文件I/O的工作原理: - 用户空间部分。 - 内核空间部分。 - 硬件交互。 3. 总结。 4. 相关问题。</think>### 文件I/O的基本概念 文件I/O(Input/Output,输入/输出)是计算机系统中用于从文件读取数据或向文件写入数据的操作。它是操作系统核心功能之一,涉及用户程序、操作系统内核和硬件设备的协同工作。简单来说,文件I/O允许应用程序访问和操作存储在磁盘或其他存储设备上的文件文件I/O的目标是高效、可靠地传输数据,同时屏蔽底层硬件的复杂性,为用户提供简单易用的接口[^2][^3]。 #### 文件I/O的定义 文件I/O定义为:**通过软件和硬件机制,实现数据在内存(主存)与外部存储设备(如硬盘、SSD)之间的传输过程**。这包括: - **读取操作**:从文件获取数据到内存。 - **写入操作**:将数据从内存保存到文件。 - **其他操作**:如打开、关闭、定位文件等。 文件I/O的核心是“流”(stream)的概念,即数据被视为字节序列的流动。在编程中,这通常通过文件指针(如C语言中的`FILE`结构)来管理,该指针存储了文件的状态信息(如当前位置、缓冲区地址)[^2]。 #### 文件I/O的工作原理 文件I/O的工作原理涉及多个层次,从用户应用程序到硬件设备。整个过程可以概括为以下步骤,确保数据高效、安全地传输。这里以Linux系统为例(其他系统类似),参考I/O栈的分层模型[^4]。 1. **用户空间层(应用程序调用)**: - 应用程序使用高级I/O函数(如标准I/O库的`fopen()`、`fread()`或`fwrite()`)发起I/O请求。 - 标准I/O库提供缓冲机制:数据先被存储在用户空间的缓冲区中,以减少频繁的系统调用开销。例如,写入操作时,数据累积到缓冲区,直到缓冲区满或显式刷新(`fflush()`)才触发实际传输[^2]。 - 这一层抽象了底层细节,用户只需关注文件操作逻辑。 2. **系统调用接口(用户到内核的过渡)**: - 当缓冲区数据需要处理时,标准I/O库调用底层系统调用(如`read()`或`write()`)。 - 系统调用使CPU从用户模式切换到内核模式,操作系统接管控制权。这一步确保安全性和隔离性,防止用户程序直接访问硬件[^3]。 3. **内核空间层(操作系统处理)**: - **文件系统层**:内核的文件系统模块接收请求,管理缓存(Page Cache)。例如,写入时,数据被复制到内核缓存区;读取时,数据可能直接从缓存返回(如果已缓存)。这层优化了性能,减少磁盘访问次数[^4]。 - **块层**:文件系统将请求转换为块设备操作(如磁盘扇区读写)。块层负责I/O调度:合并、排序请求(如使用电梯算法或CFQ调度器),以提高效率。例如,多个小写入可能被合并为一个大操作[^4]。 - **设备层**:块层请求传递给设备驱动程序。驱动程序通过DMA(Direct Memory Access,直接内存访问)机制,让硬件设备直接与内存交互,避免CPU参与数据拷贝。例如,磁盘控制器读取数据到内存缓冲区[^1][^3]。 4. **硬件交互层(设备执行)**: - I/O控制器(如磁盘控制器)执行物理操作:移动磁头、读写数据到存储介质。 - 数据通过总线(如SATA或PCIe)传输,完成后触发中断通知CPU。 - 结果逐层返回:内核更新缓存状态,并通过系统调用将数据或状态码传递回用户空间[^1][^4]。 整个过程如下图所示(简化表示): ``` 应用程序 → 标准I/O库(缓冲) → 系统调用 → 内核文件系统层(缓存) → 块层(调度) → 设备层(DMA) → 硬件设备 ``` 数据流动是双向的:读取时从设备到内存,写入时从内存到设备。关键优化包括缓冲减少延迟、缓存提升速度、DMA降低CPU负载[^2][^4]。 #### 总结 文件I/O是系统I/O的核心部分,其定义强调数据在内存与存储设备间的传输,而工作原理依赖于分层模型:用户空间的缓冲库、内核的文件系统和设备驱动协同工作,确保高效可靠。标准I/O库(如C语言的stdio)简化了编程,但底层涉及复杂机制[^2][^4]。理解文件I/O有助于优化程序性能,例如通过合理使用缓冲或选择I/O控制方式(如轮询或中断驱动)[^1][^3]。 如果您有具体场景(如Windows或嵌入式系统),我可以进一步解释细节!
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