【沃趣科技】漫游Linux块IO

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前言

在计算机的世界里，我们可以将业务进行抽象简化为两种场景——计算密集型和IO密集型。这两种场景下的表现，决定这一个计算机系统的能力。数据库作为一个典型的基础软件，它的所有业务逻辑同样可以抽象为这两种场景的混合。因此，一个数据库系统性能的强悍与否，往往跟操作系统和硬件提供的计算能力、IO能力紧密相关。

除了硬件本身的物理极限，操作系统在软件层面的处理以及提供的相关机制也尤为重要。因此，想要数据库发挥更加极限的性能，对操作系统内部相关机制和流程的理解就很重要。

本篇文章，我们就一起看下Linux中一个IO请求的生命周期。Linux发展到今天，其内部的IO子系统已经相当复杂。每个点展开都能自成一篇，所以本次仅是对块设备的写IO做一个快速的漫游，后续再对相关专题进行详细分解。

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从用户态程序出发

首先需要明确的是，什么是块设备？我们知道IO设备可以分为字符设备和块设备，字符设备以字节流的方式访问数据，比如我们的键盘鼠标。而块设备则是以块为单位访问数据，并且支持随机访问，典型的块设备就是我们常见的机械硬盘和固态硬盘。

一个应用程序想将数据写入磁盘，它需要通过系统调用来完成：open打开文件 —> write写入文件 —> close关闭文件。

下面是write系统调用的定义，我们可以看到，应用程序只需要指定三个参数：

1. 想要写入的文件
2. 写入数据所在的内存地址
3. 写入数据的长度

SYSCALL_DEFINE3(write, unsigned int, fd, const char __user *, buf,
		size_t, count)
{
   
	struct fd f = fdget_pos(fd);
	ssize_t ret = -EBADF;

	if (f.file) {
   
		loff_t pos = file_pos_read(f.file);
		ret = vfs_write(f.file, buf, count, &pos);
		if (ret >= 0)
			file_pos_write(f.file, pos);
		fdput_pos(f);
	}

	return ret;
}

而剩下的工作就进入到内核中的虚拟文件系统（VFS）中进行处理。

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虚拟文件系统（VFS）

在Linux中一切皆文件，它提供了虚拟文件系统vfs的机制，用来抽象各种资源，使应用程序无需关心底层细节，只需要通过open、read/write、close这几个通用接口便可以管理各种不同的资源。不同的文件系统通过实现各自的通用接口来满足不同的功能。

devtmpfs

挂载在/dev目录，devtmpfs中的文件代表各种设备。因此，对devtmpfs文件的读写操作，就是直接对相应设备的操作。

应用程序如果打开的是一个块设备文件，则说明它直接对一个块设备进行读写，调用块设备的write函数：

const struct file_operations def_blk_fops = {
   
	.open		= blkdev_open,
    ... ...
	.read		= do_sync_read,
	.write		= do_sync_write,
    ... ...
};
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