MMAP和DIRECT IO區別【轉】

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看完此文，題目不言自明。轉自 http://blog.chinaunix.net/uid-27105712-id-3270102.html

在Linux 開發中，有幾個關係到效能的東西，技術人員非常關註：進程，CPU，MEM，網路IO，磁碟IO。本篇檔案打算詳細全面，深入淺出。剖析檔案IO的細節。從多個角度探索如何提高IO效能。本文盡量用通俗易懂的視角去闡述。不copy核心代碼。

 

    闡述之前，要先有個大視角，讓我們站在萬米高空，鳥瞰我們的檔案IO，它們設計是分層的，分層有2個好處，一是架構清晰，二是解耦。讓我們看一下下面這張圖。

1.       穿越各層寫檔案方式

程式的最終目的是要把資料寫到磁碟上, 但是系統從通用性和效能角度，盡量提供一個折中的方案來保證這些。讓我們來看一個最常用的寫檔案典型example，也是路徑最長的IO。

{

    char *buf = malloc(MAX_BUF_SIZE);

    strncpy(buf, src, , MAX_BUF_SIZE);

     fwrite(buf, MAX_BUF_SIZE, 1, fp);

     fclose(fp);

 }

  

這裡malloc的buf對於圖層中的application buffer，即應用程式的buffer；調用fwrite後，把資料從application buffer 拷貝到了 CLib buffer，即C庫標準IObuffer。fwrite返回後，資料還在CLib buffer，如果這時候進程core掉。這些資料會丟失。沒有寫到磁碟介質上。當調用fclose的時候，fclose調用會把這些資料重新整理到磁碟介質上。除了fclose方法外，還有一個主動重新整理操作fflush 函數，不過fflush函數只是把資料從CLib buffer 拷貝到page  cache 中，並沒有重新整理到磁碟上，從page cache重新整理到磁碟上可以通過調用fsync函數完成。 

從上面類子看到，一個常用的fwrite函數過程，基本上曆經千辛萬苦，資料經過多次copy，才到達目的地。有人心生疑問，這樣會提高效能嗎，反而會降低效能吧。這個問題先放一放。

 

有人說，我不想通過fwrite+fflush這樣組合，我想直接寫到page cache。這就是我們常見的檔案IO調用read/write函數。這些函數基本上是一個函數對應著一個系統調用，如sys_read/sys_write. 調用write函數，是直接通過系統調用把資料從應用程式層拷貝到核心層，從application buffer 拷貝到 page cache 中。

 系統調用，write會觸發使用者態/核心態切換？是的。那有沒有辦法避免這些消耗。這時候該mmap出場了，mmap把page cache 地址空間映射到使用者空間，應用程式像操作應用程式層記憶體一樣，寫檔案。省去了系統調用開銷。

 那如果繼續刨根問底，如果想繞過page cache，直接把資料送到磁碟裝置上怎麼辦。通過open檔案帶上O_DIRECT參數，這是write該檔案。就是直接寫到裝置上。

 

如果繼續較勁，直接寫扇區有沒有辦法。這就是所謂的RAW裝置寫，繞開了檔案系統，直接寫扇區，想fdsik，dd，cpio之類的工具就是這一類操作。

  

2.       IO調用鏈

列舉了上述各種穿透各種cache 層寫操作，可以看到系統提供的介面相當豐富，滿足你各種寫要求。下面通過講解圖一，瞭解一下檔案IO的調用鏈。

 fwrite是系統提供的最上層介面，也是最常用的介面。它在使用者進程空間開闢一個buffer，將多次小資料量相鄰寫操作先緩衝起來，合并，最終調用write函數一次性寫入（或者將大塊資料分解多次write調用）。 

Write函數通過調用系統調用介面，將資料從應用程式層copy到核心層，所以write會觸發核心態/使用者態切換。當資料到達page cache後，核心並不會立即把資料往下傳遞。而是返回使用者空間。資料什麼時候寫入硬碟，有核心IO調度決定，所以write是一個非同步呼叫。這一點和read不同，read調用是先檢查page cache裡面是否有資料，如果有，就取出來返回使用者，如果沒有，就同步傳遞下去並等待有資料，再返回使用者，所以read是一個同步過程。當然你也可以把write的非同步過程改成同步過程，就是在open檔案的時候帶上O_SYNC標記。

 

資料到了page cache後，核心有pdflush線程在不停的檢測髒頁，判斷是否要寫回到磁碟中。把需要寫回的頁提交到IO隊列——即IO調度隊列。又IO調度隊列調度策略調度何時寫回。

提到IO調度隊列，不得不提一下磁碟結構。這裡要講一下，磁頭和電梯一樣，盡量走到頭再回來，避免來回搶佔是跑，磁碟也是單向旋轉，不會反覆逆時針順時針轉的。從網上copy一個圖下來，具體這裡就不介紹。

 IO隊列有2個主要任務。一是合并相鄰扇區的，而是排序。合并相信很容易理解，排序就是盡量按照磁碟選擇方向和磁頭前進方向排序。因為磁頭尋道時間是和昂貴的。

這裡IO隊列和我們常用的分析工具IOStat關係密切。IOStat中rrqm/s wrqm/s表示讀寫合并個數。avgqu-sz表示平均隊列長度。

 

核心中有多種IO調度演算法。當硬碟是SSD時候，沒有什麼磁軌磁頭，人家是隨機讀寫的，加上這些調度演算法反而畫蛇添足。OK，剛好有個調度演算法叫noop調度演算法，就是什麼都不錯（合并是做了）。剛好可以用來配置SSD硬碟的系統。

 從IO隊列出來後，就到了驅動層(當然核心中有更多的細分層，這裡忽略掉)，驅動層通過DMA，將資料寫入磁碟cache。 

至於磁碟cache時候寫入磁碟介質，那是磁碟控制卡自己的事情。如果想要睡個安慰覺，確認要寫到磁碟介質上。就調用fsync函數吧。可以確定寫到磁碟上了。 

 

3.       一致性和安全性

談完調用細節，再將一下一致性問題和安全問題。既然資料沒有到到磁碟介質前，可能處在不同的實體記憶體cache中，那麼如果出現進程死機，核心死，掉電這樣事件發生。資料會丟失嗎。

 當進程死機後：只有資料還處在application cache或CLib cache時候，資料會丟失。資料到了page cache。進程core掉，即使資料還沒有到硬碟。資料也不會丟失。

 當核心core掉後，只要資料沒有到達disk cache，資料都會丟失。 

掉電情況呢，哈哈，這時候神也救不了你，哭吧。

 

那麼一致性呢，如果兩個進程或線程同時寫，會寫亂嗎？或A進程寫，B進程讀，會寫髒嗎？

  

文章寫到這裡，寫得太長了，就舉出各種各樣的例子。講一下大概判斷原則吧。fwrite操作的buffer是在進程私人空間，兩個線程讀寫，肯定需要鎖保護的。如果進程，各有各的地址空間。是否要加鎖，看應用情境。

write操作如果寫大小小於PIPE_BUF（一般是4096），是原子操作，能保證兩個進程“AAA”，“BBB”寫操作，不會出現“ABAABB”這樣的資料交錯。O_APPEND 標誌能保證每次重新計算pos，寫到檔案尾的原子性。

資料到了核心層後，核心會加鎖，會保證一致性的。

4.       效能問題

效能從系統層面和裝置層面去分析；磁碟的物理特性從根本上決定了效能。IO的調度策略，系統調用也是致命殺手。

磁碟的尋道時間是相當的慢，平均尋道時間大概是在10ms，也就是是每秒只能100-200次尋道。

磁碟轉速也是影響效能的關鍵，目前最快15000rpm，大概就每秒500轉，滿打滿算，就讓磁頭不尋道，設想所有的資料連續存放在一個柱面上。大家可以算一下每秒最多可以讀多少資料。當然這個是理論值。一般情況下，碟片轉太快，磁頭感應跟不上，所以需要轉幾圈才能完全讀出磁軌內容。

  

另外裝置介面匯流排傳輸率是實際速率的上限。

另外有些等密度磁碟，磁碟外圍磁軌扇區多，線速度快，如果頻繁操作的資料放在外圍扇區，也能提高效能。

利用多磁碟並行作業，也不失為提高效能的手段。

這裡給個業界經驗值：機械硬碟順序寫～30MB，順序讀取速率一般~50MB好的可以達到100多M, SSD讀達到～400MB，SSD寫效能和機械硬碟差不多。 

 

O_DIRECT 和 RAW裝置最根本的區別是O_DIRECT是基於檔案系統的，也就是在應用程式層來看，其操作對象是檔案控制代碼，核心和檔案層來看，其操作是基於inode和資料區塊，這些概念都是和ext2/3的檔案系統相關，寫到磁碟上最終是ext3檔案。 

而RAW裝置寫是沒有檔案系統概念，操作的是扇區號，操作對象是扇區，寫出來的東西不一定是ext3檔案（如果按照ext3規則寫就是ext3檔案）。 

一般基於O_DIRECT來設計最佳化自己的檔案模組，是不滿系統的cache和調度策略，自己在應用程式層實現這些，來制定自己特有的業務特色檔案讀寫。但是寫出來的東西是ext3檔案，該磁碟卸下來，mount到其他任何linux系統上，都可以查看。 

而基於RAW裝置的設計系統，一般是不滿現有ext3的諸多缺陷，設計自己的檔案系統。自己設計檔案布局和索引方式。舉個極端例子：把整個磁碟做一個檔案來寫，不要索引。這樣沒有inode限制，沒有檔案大小限制，磁碟有多大，檔案就能多大。這樣的磁碟卸下來，mount到其他linux系統上，是無法識別其資料的。 

兩者都要通過驅動層讀寫；在系統引導啟動，還處於實模式的時候，可以通過bios介面讀寫raw裝置。

 

《直接io的優缺點》https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-directio/

《aio和direct io關係以及DMA》http://blog.csdn.net/brucexu1978/article/details/7085924

《io模型矩陣》http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/

 

《為什麼nginx引入多線程：減少阻塞IO影響》http://www.aikaiyuan.com/10228.html

《aio機制在nginx之中的使用：output chain 》http://www.aikaiyuan.com/8867.html

《nginx對Linux native AIO機制的封裝》http://www.aikaiyuan.com/8869.html

 

《nginx output chain 分析》https://my.oschina.net/astute/blog/316954

《sendfile和read/write的核心切換次數》http://www.cnblogs.com/zfyouxi/p/4196170.html

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