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缓存IO与直接IO

news 2025/8/8 3:56:53

IO类型

缓存 I/O

缓存 I/O 又被称作标准 I/O，大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中，数据先从磁盘复制到内核空间的缓冲区，然后从内核空间缓冲区复制到应用程序的地址空间（用户空间）。
读操作：操作系统检查内核空间的缓冲区有没有需要的数据，如果已经缓存了，那么就直接从缓存中返回，也就是将数据复制到应用程序的用户空间；否则从磁盘中读取数据至内核空间的缓冲区，再将内核空间缓冲区的数据返回。
写操作：将数据从用户空间复制到内核空间的缓冲区，这时对用户程序来说写操作就已经完成。至于什么时候将数据从内核空间写到磁盘中，这步由操作系统决定，除非显示地调用了 sync 同步命令。
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缓存 I/O 的优点：
在一定程度上分离了内核空间和用户空间，保护系统本身的运行安全；
可以减少读盘的次数，从而提高性能。

send数据图解

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缓存 I/O 的缺点：存在四次上下文切换（用户态与内核态之间切换），四次数据拷贝（CPU参与），这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是比较大的。CPU参与四次拷贝的计算机好像已经不多见了，内核到磁盘的数据拷贝更多的是采用DMA。

如果采用DMA的IO完整流程图：

在这里插入图片描述
这里还是发生了 4 次用户态与内核态的上下文切换，发生了 4 次数据拷贝，但其中两次是 CPU参与的拷贝，降低了CPU压力。

直接 I/O

Linux提供了对这种需求的支持，即在open()系统调用中增加参数选项O_DIRECT，用它打开的文件便可以绕过内核缓冲区的直接访问，这样便有效避免了CPU和内存的多余时间开销。顺便提一下，与O_DIRECT类似的一个选项是O_SYNC，后者只对写数据有效，它将写入内核缓冲区的数据立即写入磁盘，将机器故障时数据的丢失减少到最小，但是它仍然要经过内核缓冲区
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#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/stat.h>  
#include <sys/mman.h>  
#include <string.h>  #define FILE_SIZE 4096  // 假设文件大小为4KB，为了示例简单  
#define BLOCK_SIZE 512  // 假设块大小为512B  int main() {  int fd;  char *buffer;  off_t offset = 0;  ssize_t bytes_read, bytes_written;  // 打开文件，使用O_DIRECT和O_SYNC标志  fd = open("testfile", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC | O_DIRECT | O_SYNC, 0644);  if (fd == -1) {  perror("open");  exit(1);  }  // 分配内存对齐的缓冲区  // 注意：直接I/O要求缓冲区是块大小的整数倍，并且内存对齐到块大小的边界  posix_memalign((void **)&buffer, BLOCK_SIZE, FILE_SIZE);  if (buffer == NULL) {  perror("posix_memalign");  close(fd);  exit(1);  }  // 写入文件  memset(buffer, 'A', FILE_SIZE);  // 填充数据  bytes_written = pwrite(fd, buffer, FILE_SIZE, offset);  if (bytes_written != FILE_SIZE) {  perror("pwrite");  free(buffer);  close(fd);  exit(1);  }  // 重置偏移量以进行读取  offset = 0;  // 读取文件  bytes_read = pread(fd, buffer, FILE_SIZE, offset);  if (bytes_read != FILE_SIZE) {  perror("pread");  free(buffer);  close(fd);  exit(1);  }  // 打印读取的数据（可选）  // ...  // 清理  free(buffer);  close(fd);  return 0;  
}
注意：对齐问题：直接I/O要求缓冲区在内存中是块大小的整数倍，并且从块大小的边界开始。在上面的示例中，我们使用posix_memalign来分配内存对齐的缓冲区。
文件大小：为了简单起见，上面的示例假设文件大小为4KB，并且块大小为512B。在实际应用中，你可能需要处理更大的文件和/或不同的块大小。
错误处理：在生产代码中，你应该更详细地处理错误情况，并为用户提供有用的错误消息。
性能考虑：虽然直接I/O可以提高性能，但它也可能增加复杂性，并可能不适用于所有用例。在决定使用它之前，请确保你了解其优点和缺点。
内核参数：在某些情况下，你可能需要调整内核参数来启用或优化直接I/O。例如，/proc/sys/vm/dirty_bytes、/proc/sys/vm/dirty_background_bytes等参数可能会影响直接I/O的性能。