Linux 块系统：深入理解 I/O 操作181

操作系统必须管理进程对块设备（如硬盘驱动器和固态硬盘）的访问。Linux 内核中的块系统负责处理这些请求，提供一个统一且高效的接口，以访问存储设备。

块设备

块设备将数据存储在大小固定的块中，通常为 512 字节或更大。每个块都有一个唯一的地址，允许操作系统直接访问特定的数据块。硬盘驱动器和固态硬盘是常见的块设备示例。

虚拟块设备

Linux 内核还支持虚拟块设备 (VBD)，它不是物理设备，而是计算机中文件的抽象表示。VBD 可用于创建磁盘映像、文件系统备份或用于 RAID 和 LVM 等存储管理系统。

块层接口

内核中的块层接口提供了一组函数，进程可以使用这些函数来与块设备交互。这些函数包括读写数据、执行控制操作（例如刷新缓冲区和设置设备标志）以及创建和销毁块设备。

请求队列

当进程向块设备发出 I/O 请求时，请求将被添加到请求队列中。每个块设备都有一个关联的请求队列，用于跟踪和管理其 I/O 操作。请求队列会优化请求的处理顺序，以提高性能。

电梯算法

电梯算法用于确定请求队列中请求的执行顺序。有多种电梯算法，每种算法都有自己的优势和劣势。最常见的电梯算法包括：最短寻找时间优先 (SSTF)、电梯算法 (LOOK) 和 C-LOOK 算法。

读写高速缓存

为了提高性能，Linux 内核使用读写高速缓存机制。读高速缓存存储最近访问过的块的副本，而写高速缓存临时存储要写入块设备的数据。读高速缓存可减少对块设备的 I/O 操作次数，而写高速缓存提高了写入操作的性能。

文件系统

文件系统位于块层之上，提供对块设备上的数据的结构化表示。文件系统将数据存储在文件和目录中，并管理文件的元数据，例如名称、大小和时间戳。

块设备 I/O 的优化

有很多技术可以优化块设备 I/O 的性能，包括：
调整请求队列和电梯算法
使用读写高速缓存
实现 RAID 和 LVM 等存储管理系统
使用块层 I/O 技术，例如直接 I/O 和异步 I/O

结论

Linux 块系统是一个复杂而高效的系统，用于管理对块设备的访问。通过理解块设备、请求队列、电梯算法、高速缓存和文件系统等组件，您可以优化块 I/O 操作并提高系统性能。

2025-01-17

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