13、深入理解块层I/O处理与调度

深入理解块层I/O处理与调度

在计算机系统中，存储性能一直是影响整体性能的关键因素。物理存储的速度通常比处理器和内存慢几个数量级，为了弥补这一差距，操作系统内核采用了多种技术来优化存储性能，其中块层的多级缓存机制和I/O调度起着至关重要的作用。

块层多级缓存机制

物理存储性能远低于处理器和内存，Linux内核利用可用内存作为缓存，先在内存中执行操作，再将数据写入底层磁盘，这是内核的默认缓存机制，对提升块设备和系统整体性能至关重要。

如今，固态硬盘（SSD）和NVMe驱动器虽已普及，但传统旋转驱动器在对容量需求大且对性能要求不高的场景仍在使用。旋转驱动器在随机工作负载下性能较差，而闪存驱动器则不受此限制，但价格昂贵。多数存储环境采用混合模式，将热点数据存于高速介质，冷数据移至低速旋转驱动器。许多企业存储阵列具备内置存储分层功能来实现缓存。

Linux内核也能实现类似缓存方案，通过设备映射器框架的dm-cache目标，可将机械驱动器部分数据迁移至SSD等高速驱动器，提升性能。常见缓存机制有以下几种操作模式：
| 模式 | 说明 |
| — | — |
| 回写（Write-back） | 缓存新写入数据，不立即写入目标设备 |
| 直写（Write-through） | 新数据写入目标设备的同时保留在缓存中供后续读取 |
| 绕写（Write-around） | 实现只读缓存，写入设备的数据直接到低速机械驱动器，不写入高速SSD |
| 透传（Pass-through） | 缓存需干净，读取绕过缓存从源设备获取，写入转发到源设备并使缓存块失效 |

dm-cache目标支持除绕写外的所有