IO性能
同 CPU、内存一样，磁盘和文件系统的管理，也是操作系统最核心的功能。
- 磁盘为系统提供了最基本的持久化存储。
- 文件系统则在磁盘的基础上，提供了一个用来管理文件的树状结构。
索引节点和目录项
文件系统，本身是对存储设备上的文件，进行组织管理的机制。组织方式不同，就会形成不同的文件系统。
你要记住最重要的一点，在 Linux 中一切皆文件。不仅普通的文件和目录，就连块设备、套接字、管道等，也都要通过统一的文件系统来管理。
为了方便管理，Linux 文件系统为每个文件都分配两个数据结构，索引节点（index node）和目录项（directory entry）。它们主要用来记录文件的元信息和目录结构。
- 索引节点，简称为 inode，用来记录文件的元数据，比如 inode 编号、文件大小、访问权限、修改日期、数据的位置等。索引节点和文件一一对应，它跟文件内容一样，都会被持久化存储到磁盘中。所以记住，索引节点同样占用磁盘空间。
- 目录项，简称为 dentry，用来记录文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的关联关系。多个关联的目录项，就构成了文件系统的目录结构。不过，不同于索引节点，目录项是由内核维护的一个内存数据结构，所以通常也被叫做目录项缓存。
换句话说，索引节点是每个文件的唯一标志，而目录项维护的正是文件系统的树状结构。目录项和索引节点的关系是多对一，简单理解为，一个文件可以有多个别名。
通过硬链接为文件创建的别名，就会对应不同的目录项，不过这些目录项本质上还是链接同一个文件，所以，它们的索引节点相同。
磁盘读写的最小单位是扇区，然而扇区只有 512B 大小，如果每次都读写这么小的单位，效率一定很低。所以，文件系统又把连续的扇区组成了逻辑块，然后每次都以逻辑块为最小单元，来管理数据。常见的逻辑块大小为 4KB，也就是由连续的 8 个扇区组成
目录项本身就是一个内存缓存，而索引节点则是存储在磁盘中的数据。在Buffer 和 Cache 原理中，，为了协调慢速磁盘与快速 CPU 的性能差异，文件内容会缓存到页缓存 Cache 中。
这些索引节点自然也会缓存到内存中，加速文件的访问。
磁盘在执行文件系统格式化时，会被分成三个存储区域，超级块、索引节点区和数据块区。其中，
- 超级块，存储整个文件系统的状态。
- 索引节点区，用来存储索引节点。
- 数据块区，则用来存储文件数据。
虚拟文件系统
目录项、索引节点、逻辑块以及超级块，构成了 Linux 文件系统的四大基本要素。不过，为了支持各种不同的文件系统，Linux 内核在用户进程和文件系统的中间，又引入了一个抽象层，也就是虚拟文件系统 VFS（Virtual File System）。
VFS 定义了一组所有文件系统都支持的数据结构和标准接口。这样，用户进程和内核中的其他子系统，只需要跟 VFS 提供的统一接口进行交互就可以了，而不需要再关心底层各种文件系统的实现细节。
系统调用、VFS、缓存、文件系统以及块存储之间的关系：
在 VFS 的下方，Linux 支持各种各样的文件系统，如 Ext4、XFS、NFS 等等。按照存储位置的不同，这些文件系统可以分为三类。
- 第一类是基于磁盘的文件系统，也就是把数据直接存储在计算机本地挂载的磁盘中。常见的 Ext4、XFS、OverlayFS 等，都是这类文件系统。
- 第二类是基于内存的文件系统，也就是我们常说的虚拟文件系统。这类文件系统，不需要任何磁盘分配存储空间，但会占用内存。我们经常用到的 /proc 文件系统，其实就是一种最常见的虚拟文件系统。此外，/sys 文件系统也属于这一类，主要向用户空间导出层次化的内核对象。
- 第三类是网络文件系统，也就是用来访问其他计算机数据的文件系统，比如 NFS、SMB、iSCSI 等。
这些文件系统，要先挂载到 VFS 目录树中的某个子目录（称为挂载点），然后才能访问其中的文件。拿第一类，也就是基于磁盘的文件系统为例，在安装系统时，要先挂载一个根目录（/），在根目录下再把其他文件系统（比如其他的磁盘分区、/proc 文件系统、/sys 文件系统、NFS 等）挂载进来。
文件系统 I/O
把文件系统挂载到挂载点后，你就能通过挂载点，再去访问它管理的文件了。VFS 提供了一组标准的文件访问接口。这些接口以系统调用的方式，提供给应用程序使用。
就拿 cat 命令来说，它首先调用 open() ，打开一个文件；然后调用 read() ，读取文件的内容；最后再调用 write() ，把文件内容输出到控制台的标准输出中：
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
文件读写方式的各种差异，导致 I/O 的分类多种多样。最常见的有，缓冲与非缓冲 I/O、直接与非直接 I/O、阻塞与非阻塞 I/O、同步与异步 I/O 等。
第一种，根据是否利用标准库缓存，可以把文件 I/O 分为缓冲 I/O 与非缓冲 I/O。
- 缓冲 I/O，是指利用标准库缓存来加速文件的访问，而标准库内部再通过系统调度访问文件。
- 非缓冲 I/O，是指直接通过系统调用来访问文件，不再经过标准库缓存。
这里所说的“缓冲”，是指标准库内部实现的缓存。比如很多程序遇到换行时才真正输出，而换行前的内容，其实就是被标准库暂时缓存了起来。
无论缓冲 I/O 还是非缓冲 I/O，它们最终还是要经过系统调用来访问文件。系统调用后，还会通过页缓存，来减少磁盘的 I/O 操作。
第二，根据是否利用操作系统的页缓存，可以把文件 I/O 分为直接 I/O 与非直接 I/O。
- 直接 I/O，是指跳过操作系统的页缓存，直接跟文件系统交互来访问文件。
- 非直接 I/O 正好相反，文件读写时，先要经过系统的页缓存，然后再由内核或额外的系统调用，真正写入磁盘。
想要实现直接 I/O，需要你在系统调用中，指定 O_DIRECT 标志。如果没有设置过，默认的是非直接 I/O。
不过要注意，直接 I/O、非直接 I/O，本质上还是和文件系统交互。如果是在数据库等场景中，还会看到，跳过文件系统读写磁盘的情况，也就是我们通常所说的裸 I/O。
第三，根据应用程序是否阻塞自身运行，可以把文件 I/O 分为阻塞 I/O 和非阻塞 I/O：
- 所谓阻塞 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，如果没有获得响应，就会阻塞当前线程，自然就不能执行其他任务。
- 所谓非阻塞 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，不会阻塞当前的线程，可以继续执行其他的任务，随后再通过轮询或者事件通知的形式，获取调用的结果。
比方说，访问管道或者网络套接字时，设置 O_NONBLOCK 标志，就表示用非阻塞方式访问；而如果不做任何设置，默认的就是阻塞访问。
第四，根据是否等待响应结果，可以把文件 I/O 分为同步和异步 I/O：
- 所谓同步 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，要一直等到整个 I/O 完成后，才能获得 I/O 响应。
- 所谓异步 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，不用等待完成和完成后的响应，而是继续执行就可以。等到这次 I/O 完成后，响应会用事件通知的方式，告诉应用程序。
举个例子，在操作文件时，如果你设置了 O_SYNC 或者 O_DSYNC 标志，就代表同步 I/O。如果设置了 O_DSYNC，就要等文件数据写入磁盘后，才能返回；而 O_SYNC，则是在 O_DSYNC 基础上，要求文件元数据也要写入磁盘后，才能返回。再比如，在访问管道或者网络套接字时，设置了 O_ASYNC 选项后，相应的 I/O 就是异步 I/O。这样，内核会再通过 SIGIO 或者 SIGPOLL，来通知进程文件是否可读写。
这里的好多概念也经常出现在网络编程中。比如非阻塞 I/O，通常会跟 select/poll 配合，用在网络套接字的 I/O 中。
性能观测
容量
对文件系统来说，最常见的一个问题就是空间不足。用 df 命令，就能查看文件系统的磁盘空间使用情况。比如：
$ df -h /dev/sda1
Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on
/dev/sda1 29G 3.1G 26G 11% /
除了文件数据，索引节点也占用磁盘空间。 df 命令加上 -i 参数，查看索引节点的使用情况，如下所示：
$ df -i /dev/sda1
Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on
/dev/sda1 3870720 157460 3713260 5% /
索引节点的容量，（也就是 Inode 个数）是在格式化磁盘时设定好的，一般由格式化工具自动生成。当你发现索引节点空间不足，但磁盘空间充足时，很可能就是过多小文件导致的。
缓存
内核使用 Slab 机制，管理目录项和索引节点的缓存。/proc/meminfo 只给出了 Slab 的整体大小，具体到每一种 Slab 缓存，还要查看 /proc/slabinfo 这个文件。
$ cat /proc/slabinfo | grep -E '^#|dentry|inode'
# name <active_objs> <num_objs> <objsize> <objperslab> <pagesperslab> : tunables <limit> <batchcount> <sharedfactor> : slabdata <active_slabs> <num_slabs> <sharedavail>
xfs_inode 0 0 960 17 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 0 0 0
...
ext4_inode_cache 32104 34590 1088 15 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 2306 2306 0hugetlbfs_inode_cache 13 13 624 13 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 1 1 0
sock_inode_cache 1190 1242 704 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 54 54 0
shmem_inode_cache 1622 2139 712 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 93 93 0
proc_inode_cache 3560 4080 680 12 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 340 340 0
inode_cache 25172 25818 608 13 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 1986 1986 0
dentry 76050 121296 192 21 1 : tunables 0 0 0 : slabdata 5776 5776 0
这个界面中，dentry 行表示目录项缓存，inode_cache 行，表示 VFS 索引节点缓存，其余的则是各种文件系统的索引节点缓存。
/proc/slabinfo 的列比较多，具体含义你可以查询 man slabinfo。在实际性能分析中，我们更常使用 slabtop ，来找到占用内存最多的缓存类型。
# 按下c按照缓存大小排序，按下a按照活跃对象数排序
$ slabtop
Active / Total Objects (% used) : 277970 / 358914 (77.4%)
Active / Total Slabs (% used) : 12414 / 12414 (100.0%)
Active / Total Caches (% used) : 83 / 135 (61.5%)
Active / Total Size (% used) : 57816.88K / 73307.70K (78.9%)
Minimum / Average / Maximum Object : 0.01K / 0.20K / 22.88K
OBJS ACTIVE USE OBJ SIZE SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME
69804 23094 0% 0.19K 3324 21 13296K dentry
16380 15854 0% 0.59K 1260 13 10080K inode_cache
58260 55397 0% 0.13K 1942 30 7768K kernfs_node_cache
485 413 0% 5.69K 97 5 3104K task_struct
1472 1397 0% 2.00K 92 16 2944K kmalloc-2048
磁盘
无论机械磁盘，还是固态磁盘，相同磁盘的随机 I/O 都要比连续 I/O 慢很多，原因也很明显。
- 对机械磁盘来说，我们刚刚提到过的，由于随机 I/O 需要更多的磁头寻道和盘片旋转，它的性能自然要比连续 I/O 慢。
- 而对固态磁盘来说，虽然它的随机性能比机械硬盘好很多，但同样存在“先擦除再写入”的限制。随机读写会导致大量的垃圾回收，所以相对应的，随机 I/O 的性能比起连续 I/O 来，也还是差了很多。
- 此外，连续 I/O 还可以通过预读的方式，来减少 I/O 请求的次数，这也是其性能优异的一个原因。很多性能优化的方案，也都会从这个角度出发，来优化 I/O 性能。
此外，机械磁盘和固态磁盘还分别有一个最小的读写单位。
- 机械磁盘的最小读写单位是扇区，一般大小为 512 字节。
- 而固态磁盘的最小读写单位是页，通常大小是 4KB、8KB 等。
在 Linux 中，磁盘实际上是作为一个块设备来管理的，也就是以块为单位读写数据，并且支持随机读写。每个块设备都会被赋予两个设备号，分别是主、次设备号。主设备号用在驱动程序中，用来区分设备类型；而次设备号则是用来给多个同类设备编号。
通用块层
为了减小不同块设备的差异带来的影响，Linux 通过一个统一的通用块层，来管理各种不同的块设备。
通用块层，其实是处在文件系统和磁盘驱动中间的一个块设备抽象层。它主要有两个功能 。
- 第一个功能跟虚拟文件系统的功能类似。向上，为文件系统和应用程序，提供访问块设备的标准接口；向下，把各种异构的磁盘设备抽象为统一的块设备，并提供统一框架来管理这些设备的驱动程序。
- 第二个功能，通用块层还会给文件系统和应用程序发来的 I/O 请求排队，并通过重新排序、请求合并等方式，提高磁盘读写的效率。
Linux 内核支持四种 I/O 调度算法，分别是 NONE、NOOP、CFQ 以及 DeadLine。
第一种 NONE ，更确切来说，并不能算 I/O 调度算法。因为它完全不使用任何 I/O 调度器，对文件系统和应用程序的 I/O 其实不做任何处理，常用在虚拟机中（此时磁盘 I/O 调度完全由物理机负责）。
第二种 NOOP ，是最简单的一种 I/O 调度算法。它实际上是一个先入先出的队列，只做一些最基本的请求合并，常用于 SSD 磁盘。
第三种 CFQ（Completely Fair Scheduler），也被称为完全公平调度器，是现在很多发行版的默认 I/O 调度器，它为每个进程维护了一个 I/O 调度队列，并按照时间片来均匀分布每个进程的 I/O 请求。
类似于进程 CPU 调度，CFQ 还支持进程 I/O 的优先级调度，所以它适用于运行大量进程的系统，像是桌面环境、多媒体应用等。
最后一种 DeadLine 调度算法，分别为读、写请求创建了不同的 I/O 队列，可以提高机械磁盘的吞吐量，并确保达到最终期限（deadline）的请求被优先处理。DeadLine 调度算法，多用在 I/O 压力比较重的场景，比如数据库等。
I/O 栈
Linux 存储系统的 I/O 栈，由上到下分为三个层次，分别是文件系统层、通用块层和设备层。这三个 I/O 层的关系如下图所示，这其实也是 Linux 存储系统的 I/O 栈全景图。
- 文件系统层，包括虚拟文件系统和其他各种文件系统的具体实现。它为上层的应用程序，提供标准的文件访问接口；对下会通过通用块层，来存储和管理磁盘数据。
- 通用块层，包括块设备 I/O 队列和 I/O 调度器。它会对文件系统的 I/O 请求进行排队，再通过重新排序和请求合并，然后才要发送给下一级的设备层。
- 设备层，包括存储设备和相应的驱动程序，负责最终物理设备的 I/O 操作。
存储系统的 I/O ，通常是整个系统中最慢的一环。所以， Linux 通过多种缓存机制来优化 I/O 效率。
比方说，为了优化文件访问的性能，会使用页缓存、索引节点缓存、目录项缓存等多种缓存机制，以减少对下层块设备的直接调用。
同样，为了优化块设备的访问效率，会使用缓冲区，来缓存块设备的数据。
磁盘性能指标
说到磁盘性能的衡量标准，必须要提到五个常见指标，也就是我们经常用到的，使用率、饱和度、IOPS、吞吐量以及响应时间等。这五个指标，是衡量磁盘性能的基本指标。
- 使用率，是指磁盘处理 I/O 的时间百分比。过高的使用率（比如超过 80%），通常意味着磁盘 I/O 存在性能瓶颈。
- 饱和度，是指磁盘处理 I/O 的繁忙程度。过高的饱和度，意味着磁盘存在严重的性能瓶颈。当饱和度为 100% 时，磁盘无法接受新的 I/O 请求。
- IOPS（Input/Output Per Second），是指每秒的 I/O 请求数。
- 吞吐量，是指每秒的 I/O 请求大小。
- 响应时间，是指 I/O 请求从发出到收到响应的间隔时间。
这里要注意的是，使用率只考虑有没有 I/O，而不考虑 I/O 的大小。换句话说，当使用率是 100% 的时候，磁盘依然有可能接受新的 I/O 请求。
举个例子，在数据库、大量小文件等这类随机读写比较多的场景中，IOPS 更能反映系统的整体性能；而在多媒体等顺序读写较多的场景中，吞吐量才更能反映系统的整体性能。
磁盘 I/O 观测
iostat 是最常用的磁盘 I/O 性能观测工具，它提供了每个磁盘的使用率、IOPS、吞吐量等各种常见的性能指标，当然，这些指标实际上来自 /proc/diskstats。
# -d -x表示显示所有磁盘I/O的指标
$ iostat -d -x 1
Device r/s w/s rkB/s wkB/s rrqm/s wrqm/s %rrqm %wrqm r_await w_await aqu-sz rareq-sz wareq-sz svctm %util
loop0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
loop1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
sda 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
sdb 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
iostat 提供了非常丰富的性能指标。第一列的 Device 表示磁盘设备的名字，其他各列指标，虽然数量较多，但是每个指标的含义都很重要。
进程 I/O 观测
上面提到的 iostat 只提供磁盘整体的 I/O 性能数据，缺点在于，并不能知道具体是哪些进程在进行磁盘读写。要观察进程的 I/O 情况，可以使用 pidstat 和 iotop 这两个工具。
$ pidstat -d 1
13:39:51 UID PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay Command
13:39:52 102 916 0.00 4.00 0.00 0 rsyslogd
从 pidstat 的输出能看到，它可以实时查看每个进程的 I/O 情况，包括下面这些内容。
- 用户 ID（UID）和进程 ID（PID） 。
- 每秒读取的数据大小（kB_rd/s） ，单位是 KB。
- 每秒发出的写请求数据大小（kB_wr/s） ，单位是 KB。
- 每秒取消的写请求数据大小（kB_ccwr/s） ，单位是 KB。
- 块 I/O 延迟（iodelay），包括等待同步块 I/O 和换入块 I/O 结束的时间，单位是时钟周期。
iotop。它是一个类似于 top 的工具，可以按照 I/O 大小对进程排序
$ iotop
Total DISK READ : 0.00 B/s | Total DISK WRITE : 7.85 K/s
Actual DISK READ: 0.00 B/s | Actual DISK WRITE: 0.00 B/s
TID PRIO USER DISK READ DISK WRITE SWAPIN IO> COMMAND
15055 be/3 root 0.00 B/s 7.85 K/s 0.00 % 0.00 % systemd-journald