本文探討了Linux操作系統中的通用塊層和存儲系統I/O軟體分層的優化策略。通用塊層作為文件系統和磁碟驅動之間的介面，通過排隊和調度I/O請求，提高磁碟的讀寫效率和可靠性。存儲系統的I/O軟體分層包括文件系統層、通用塊層和設備層，它們相互協作，實現對存儲系統的高效管理和操作。本文旨在深入瞭解通用塊層... ...
通用塊層
通用塊層是Linux中的一個重要組件，用於管理不同塊設備的統一介面，減少不同塊設備的差異帶來的影響。它位於文件系統和磁碟驅動之間，類似於Java中的適配器模式，讓我們無需關註底層實現，只需提供固定介面即可。
通用塊層的設計目的是為了提高磁碟讀寫的效率和可靠性。它通過對I/O請求進行排隊和調度，以最大化磁碟的吞吐量和響應時間。通用塊層可以管理多個塊設備，並將它們抽象為一個統一的介面，使得文件系統和應用程式可以無差別地訪問這些設備。
在Linux內核中，有五種主要的I/O調度演算法可供選擇，它們分別是沒有調度演算法、先入先出調度演算法、完全公平調度演算法、優先順序調度演算法和最終期限調度演算法。這些演算法適用於不同的場景和需求。
- 第一種，沒有調度演算法，就是沒有任何特殊的處理，直接將文件系統和應用程式的I/O請求發送給塊設備。這種演算法常用在虛擬機中，因為磁碟I/O調度交由物理機系統負責。
- 第二種，先入先出調度演算法，就是按照I/O請求的到達順序進行調度，先進入I/O調度隊列的請求會先被處理。
- 第三種，完全公平調度演算法，是大部分系統預設使用的調度演算法。它為每個進程維護一個I/O調度隊列，並根據時間片來均勻分配每個進程的I/O請求。
- 第四種，優先順序調度演算法，根據請求的優先順序進行調度，優先順序高的請求先被處理。這種演算法適用於運行大量進程的系統，比如桌面環境或多媒體應用。
- 第五種，最終期限調度演算法，為讀寫請求創建了不同的I/O隊列，以提高機械磁碟的吞吐量，並確保達到最終期限的請求優先處理。這種演算法適用於I/O壓力較大的場景，比如資料庫等。
另外多說一句優先順序調度演算法，它適合桌面環境或多媒體應用的原因主要有以下幾點：
- 響應性：桌面環境或多媒體應用通常需要實時的響應，對於用戶的操作或多媒體數據的播放，延遲較小的I/O響應是非常重要的。通過使用優先順序調度演算法，可以確保高優先順序的I/O請求被優先處理，從而提高系統的響應性能。
- 性能優化：桌面環境或多媒體應用通常需要處理大量的數據，如圖像、音頻或視頻等。通過使用優先順序調度演算法，可以將這些需要優先處理的數據請求置於較高的優先順序，確保它們能夠及時得到處理，從而提高整體的性能和流暢度。
- 平衡資源：桌面環境或多媒體應用通常需要同時運行多個任務或進程，這些任務可能會涉及到不同的資源需求。通過使用優先順序調度演算法，可以在資源有限的情況下，合理地分配和管理這些任務的I/O請求，避免某些任務長時間等待，從而實現資源的平衡利用。
存儲系統I/O軟體分層
在前面的討論中，我們提到了存儲系統的各個組成部分，包括設備、設備控制器、驅動程式和通用塊層。現在結合文件系統原理，我們來詳細瞭解一下 Linux 存儲系統的 I/O 軟體分層。
Linux 存儲系統的 I/O 軟體分層可以分為三個層次，分別是文件系統層、通用塊層和設備層。它們之間的關係如下圖所示：
這三個層次的作用是相互協作，實現對存儲系統的高效管理和操作。
文件系統層是用戶與存儲系統交互的介面，通過虛擬文件系統和具體的文件系統實現，為應用程式提供了標準的文件訪問介面。它負責將用戶的文件操作請求轉化為對底層存儲設備的讀寫操作，並管理文件的元數據和目錄結構。
通用塊層在文件系統層之下，負責對文件系統的I/O請求進行排隊和調度，以提高磁碟的讀寫效率。它包括塊設備的I/O隊列和I/O調度器，通過合理的調度演算法，選擇最優的順序和時間進行I/O操作。
設備層是位於存儲系統的最底層，包括硬體設備、設備控制器和驅動程式。它負責實際執行物理設備的I/O操作，將數據讀取到記憶體或將數據寫入到磁碟。
為了提高I/O的效率，Linux提供了多種緩存機制。頁緩存、索引節點緩存和目錄項緩存等緩存機制用於減少對塊設備的直接訪問，提高對文件數據的讀取和寫入效率。此外，還有緩衝區用於緩存塊設備的數據，以減少對磁碟的頻繁訪問。
為了滿足特定設備的功能和屬性的檢查和配置需求，Linux提供了ioctl介面，它是一種通用的輸入輸出控制介面，用於對特定設備進行屬性和功能的控制和修改。
總的來說，前面討論了這麼多知識點，你會發現從介紹操作系統開始到現在，所有操作都有一個中間層做‘適配’，其實目的很簡單，中間層既相當於我們的攔截器一樣，對上層的操作請求進行優化，又可以像適配器一樣屏蔽掉底層設備的各個差異方便操作而已。
總結
通用塊層是Linux中的重要組件，位於文件系統和磁碟驅動之間，提供統一介面，優化磁碟讀寫效率和可靠性。它管理多個塊設備，抽象為統一介面，使得文件系統和應用程式可以無差別訪問。通用塊層通過排隊和調度I/O請求，最大化磁碟吞吐量和響應時間。Linux內核提供多種I/O調度演算法適用於不同需求。當你學完這些知識點是否你自己可以大致想出敲完字母‘A’後，是如何顯示到屏幕上的嗎？
