Linux IO数据通道我理解之分享

### Linux IO数据通道详解 #### 一、IO数据通道处理层次 在Linux系统中，输入/输出（Input/Output，简称IO）操作是一项基础而重要的功能。为了更好地管理和优化IO操作，Linux内核设计了一套复杂的IO数据通道处理机制。这一机制主要由几个关键层次构成： 1. **用户空间与内核空间交互层**：用户空间的应用程序通过系统调用如`read()`、`write()`等与内核进行交互。 2. **文件系统层**：负责管理文件系统的逻辑结构，如ext3、ext4等。 3. **缓存层**：用于提高数据读写的性能，包括缓冲区高速缓存(Buffer Cache)和页面高速缓存(Page Cache)。 4. **块IO子系统**：位于文件系统层和设备驱动层之间，提供了一组通用的API来处理块设备上的IO操作。 5. **设备驱动层**：与具体的硬件设备进行交互。 #### 二、块IO层——截获IO 块IO层是Linux内核中的一个重要组成部分，其主要职责是截获来自上层的IO请求，并对这些请求进行优化处理。这一层主要包括以下几个关键组件： 1. **bio_vec**：表示一组连续的数据块，通常用于组织待处理的数据。 2. **queue_head**：队列头部，用于管理bio_vec的队列。 3. **bio**：基本的IO单元，包含了bio_vec和其他相关信息。 4. **biotail**：bio_vec队列的尾部。 5. **Bv_page**：每个bio_vec对应的一个或多个内存页。 6. **bi_next**：指向下一个bio的指针，用于链接多个bio形成链表。 7. **q_sector**：队列中的扇区号，用于定位数据的位置。 8. **bi_sector**：bio中的起始扇区号。 #### 三、IO调度层 IO调度层负责决定何时将哪个IO请求发送到硬件设备。Linux提供了多种不同的IO调度算法来满足不同场景下的需求。其中较为常见的包括： 1. **DeadLine**：默认的IO调度算法，适用于大多数场景。 2. **CFQ (Completely Fair Queuing)**：旨在提供公平的资源分配，适用于服务器环境。 3. **NOOP (No Operation)**：适用于SSD等高性能存储设备。 4. **Anticipatory**：针对旋转介质设计的调度算法。 #### 四、中断和中断处理 在计算机系统中，中断是一种非常重要的机制，它允许CPU在接收到外部事件时立即响应并执行相应的处理程序。在Linux内核中，中断处理流程主要包括以下步骤： 1. **处理器中断**：当硬件设备发生中断时，处理器会暂停当前正在执行的任务，转而执行中断服务例程。 2. **内核do_IRQ()函数**：这是Linux内核中处理中断的第一个入口点。 3. **handle_IRQ_event**：根据中断线上的设备，选择合适的中断处理程序。 4. **中断处理程序执行**：执行具体的中断处理任务。 5. **ret_from_intr()**：中断处理完成后返回到被中断的任务继续执行。 #### 五、下半部机制 由于中断处理程序必须尽可能短小精悍，因此在中断处理过程中经常采用“下半部”机制。这种机制允许将一些耗时较长的操作推迟到稍后执行，从而避免了长时间占用中断处理时间。常用的下半部机制包括工作队列(workqueues)、任务队列(tasklets)等。 #### 六、具体函数介绍 在实际的IO处理过程中，涉及到多个关键函数的调用，例如： 1. **generic_make_request()**：用于提交IO请求到设备队列。 2. **request_fn() — host_make_request()**：设备特定的IO请求处理函数。 3. **Mvumi_fire_cmd()**：特定设备的命令处理函数。 4. **__make_request()**：通用的IO请求提交函数。 5. **ext3_readpage()**：用于从ext3文件系统读取单个页面。 6. **mpage_readpage()**：用于多页面读取的函数。 7. **mpage_bio_submit()**：提交多页面的bio请求。 8. **submit_bio**：提交bio请求。 9. **sys_read()**：系统调用接口，用于读取数据。 10. **do_sync_read()**：同步读取操作的处理函数。 11. **generic_file_aio_read()**：异步读取操作的处理函数。 12. **do_generic_file_read()**：通用文件读取操作的处理函数。 通过上述对Linux IO数据通道的详细解析，我们可以看出，Linux内核为确保高效的IO处理机制，设计了一系列复杂的层次结构和算法。这些机制不仅保证了系统的稳定性和可靠性，也为应用程序提供了高效的数据传输能力。