Linux是一個(gè)可控性強(qiáng)的，安全高效的操作系統(tǒng)。本文只討論Linux下文件的讀寫機(jī)制，不涉及不同讀取方式如read,fread,cin等的對(duì)比，這些讀取方式本質(zhì)上都是調(diào)用系統(tǒng)api read，只是做了不同封裝。以下所有測(cè)試均使用open, read, write這一套系統(tǒng)api。

緩存

緩存是用來減少高速設(shè)備訪問低速設(shè)備所需平均時(shí)間的組件，文件讀寫涉及到計(jì)算機(jī)內(nèi)存和磁盤，內(nèi)存操作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁盤，如果每次調(diào)用read,write都去直接操作磁盤，一方面速度會(huì)被限制，一方面也會(huì)降低磁盤使用壽命，因此不管是對(duì)磁盤的讀操作還是寫操作，操作系統(tǒng)都會(huì)將數(shù)據(jù)緩存起來。

Page Cache

頁(yè)緩存(Page Cache)是位于內(nèi)存和文件之間的緩沖區(qū)，它實(shí)際上也是一塊內(nèi)存區(qū)域，所有的文件IO(包括網(wǎng)絡(luò)文件)都是直接和頁(yè)緩存交互，操作系統(tǒng)通過一系列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如inode, address_space, struct page，實(shí)現(xiàn)將一個(gè)文件映射到頁(yè)的級(jí)別，這些具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及之間的關(guān)系我們暫且不討論，只需知道頁(yè)緩存的存在以及它在文件IO中扮演著重要角色，很大一部分程度上，文件讀寫的優(yōu)化就是對(duì)頁(yè)緩存使用的優(yōu)化

Dirty Page

頁(yè)緩存對(duì)應(yīng)文件中的一塊區(qū)域，如果頁(yè)緩存和對(duì)應(yīng)的文件區(qū)域內(nèi)容不一致，則該頁(yè)緩存叫做臟頁(yè)(Dirty Page)。對(duì)頁(yè)緩存進(jìn)行修改或者新建頁(yè)緩存，只要沒有刷磁盤，都會(huì)產(chǎn)生臟頁(yè)

查看頁(yè)緩存大小

linux上有兩種方式查看頁(yè)緩存大小，一種是free命令

$ free 
total used free shared buffers cached 
Mem: 20470840 1973416 18497424 164 270208 1202864 
-/+ buffers/cache: 500344 19970496 
Swap: 0 0 0

cached那一列就是頁(yè)緩存大小，單位Byte

另一種是直接查看/proc/meminfo，這里我們只關(guān)注兩個(gè)字段

Cached: 1202872 kB
Dirty: 52 kB

Cached是頁(yè)緩存大小，Dirty是臟頁(yè)大小 

臟頁(yè)回寫參數(shù)

Linux有一些參數(shù)可以改變操作系統(tǒng)對(duì)臟頁(yè)的回寫行為

$ sysctl -a 2>/dev/null | grep dirty
vm.dirty_background_ratio = 10
vm.dirty_background_bytes = 0
vm.dirty_ratio = 20
vm.dirty_bytes = 0
vm.dirty_writeback_centisecs = 500
vm.dirty_expire_centisecs = 3000

vm.dirty_background_ratio是內(nèi)存可以填充臟頁(yè)的百分比，當(dāng)臟頁(yè)總大小達(dá)到這個(gè)比例后，系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)程就會(huì)開始將臟頁(yè)刷磁盤(vm.dirty_background_bytes類似，只不過是通過字節(jié)數(shù)來設(shè)置);vm.dirty_ratio是絕對(duì)的臟數(shù)據(jù)限制，內(nèi)存里的臟數(shù)據(jù)百分比不能超過這個(gè)值。如果臟數(shù)據(jù)超過這個(gè)數(shù)量，新的IO請(qǐng)求將會(huì)被阻擋，直到臟數(shù)據(jù)被寫進(jìn)磁盤;vm.dirty_writeback_centisecs指定多長(zhǎng)時(shí)間做一次臟數(shù)據(jù)寫回操作，單位為百分之一秒;vm.dirty_expire_centisecs指定臟數(shù)據(jù)能存活的時(shí)間，單位為百分之一秒，比如這里設(shè)置為30秒，在操作系統(tǒng)進(jìn)行寫回操作時(shí)，如果臟數(shù)據(jù)在內(nèi)存中超過30秒時(shí)，就會(huì)被寫回磁盤.

這些參數(shù)可以通過 sudo sysctl -w vm.dirty_background_ratio=5 這樣的命令來修改，需要root權(quán)限，也可以在root用戶下執(zhí)行 echo 5 > /proc/sys/vm/dirty_background_ratio 來修改

文件讀寫流程

在有了頁(yè)緩存和臟頁(yè)的概念后，我們?cè)賮砜次募淖x寫流程

讀文件

1.用戶發(fā)起read操作

2.操作系統(tǒng)查找頁(yè)緩存

a.若未命中，則產(chǎn)生缺頁(yè)異常，然后創(chuàng)建頁(yè)緩存，并從磁盤讀取相應(yīng)頁(yè)填充頁(yè)緩存

b.若命中，則直接從頁(yè)緩存返回要讀取的內(nèi)容

3.用戶read調(diào)用完成

寫文件

1.用戶發(fā)起write操作

2.操作系統(tǒng)查找頁(yè)緩存

a.若未命中，則產(chǎn)生缺頁(yè)異常，然后創(chuàng)建頁(yè)緩存，將用戶傳入的內(nèi)容寫入頁(yè)緩存

b.若命中，則直接將用戶傳入的內(nèi)容寫入頁(yè)緩存

3.用戶write調(diào)用完成

4.頁(yè)被修改后成為臟頁(yè)，操作系統(tǒng)有兩種機(jī)制將臟頁(yè)寫回磁盤

5.用戶手動(dòng)調(diào)用fsync()

6.由pdflush進(jìn)程定時(shí)將臟頁(yè)寫回磁盤

頁(yè)緩存和磁盤文件是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的，這種關(guān)系由操作系統(tǒng)維護(hù)，對(duì)頁(yè)緩存的讀寫操作是在內(nèi)核態(tài)完成，對(duì)用戶來說是透明的

文件讀寫的優(yōu)化思路

不同的優(yōu)化方案適應(yīng)于不同的使用場(chǎng)景，比如文件大小，讀寫頻次等，這里我們不考慮修改系統(tǒng)參數(shù)的方案，修改系統(tǒng)參數(shù)總是有得有失，需要選擇一個(gè)平衡點(diǎn)，這和業(yè)務(wù)相關(guān)度太高，比如是否要求數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性，是否容忍數(shù)據(jù)丟失等等。優(yōu)化的思路有以下兩點(diǎn):

1.最大化利用頁(yè)緩存

2.減少系統(tǒng)api調(diào)用次數(shù)

第一點(diǎn)很容易理解，盡量讓每次IO操作都命中頁(yè)緩存，這比操作磁盤會(huì)快很多，第二點(diǎn)提到的系統(tǒng)api主要是read和write，由于系統(tǒng)調(diào)用會(huì)從用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，并且有些還伴隨這內(nèi)存數(shù)據(jù)的拷貝，因此在有些場(chǎng)景下減少系統(tǒng)調(diào)用也會(huì)提高性能

readahead

readahead是一種非阻塞的系統(tǒng)調(diào)用，它會(huì)觸發(fā)操作系統(tǒng)將文件內(nèi)容預(yù)讀到頁(yè)緩存中，并且立馬返回，函數(shù)原型如下

ssize_t readahead(int fd, off64_t offset, size_t count);

在通常情況下，調(diào)用readahead后立馬調(diào)用read并不會(huì)提高讀取速度，我們通常在批量讀取或在讀取之前一段時(shí)間調(diào)用readahead，假設(shè)如下場(chǎng)景，我們需要連續(xù)讀取1000個(gè)1M的文件，有如下兩個(gè)方案，偽代碼如下

直接調(diào)用read函數(shù)

char* buf = (char*)malloc(10*1024*1024);
for (int i = 0; i  1000; ++i)
{
    int fd = open_file();
    int size = stat_file_size();
    read(fd, buf, size);
    // do something with buf
    close(fd);
}

先批量調(diào)用readahead再調(diào)用read

int* fds = (int*)malloc(sizeof(int)*1000);
int* fd_size = (int*)malloc(sizeof(int)*1000);
for (int i = 0; i  1000; ++i)
{
    int fd = open_file();
    int size = stat_file_size();
    readahead(fd, 0, size);
    fds[i] = fd;
    fd_size[i] = size;
}
char* buf = (char*)malloc(10*1024*1024);
for (int i = 0; i  1000; ++i)
{
    read(fds[i], buf, fd_size[i]);
    // do something with buf
    close(fds[i]);
}

感興趣的可以寫代碼實(shí)際測(cè)試一下，需要注意的是在測(cè)試前必須先回寫臟頁(yè)和清空頁(yè)緩存，執(zhí)行如下命令

sync  sudo sysctl -w vm.drop_caches=3

可通過查看/proc/meminfo中的Cached及Dirty項(xiàng)確認(rèn)是否生效

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，第二種方法比第一種讀取速度大約提高10%-20%，這種場(chǎng)景下是批量執(zhí)行readahead后立馬執(zhí)行read，優(yōu)化空間有限，如果有一種場(chǎng)景可以在read之前一段時(shí)間調(diào)用readahead，那將大大提高read本身的讀取速度

這種方案實(shí)際上是利用了操作系統(tǒng)的頁(yè)緩存，即提前觸發(fā)操作系統(tǒng)將文件讀取到頁(yè)緩存，并且操作系統(tǒng)對(duì)缺頁(yè)處理、緩存命中、緩存淘汰都由一套完善的機(jī)制，雖然用戶也可以針對(duì)自己的數(shù)據(jù)做緩存管理，但和直接使用頁(yè)緩存比并沒有多大差別，而且會(huì)增加維護(hù)代價(jià)

mmap

mmap是一種內(nèi)存映射文件的方法，即將一個(gè)文件或者其它對(duì)象映射到進(jìn)程的地址空間，實(shí)現(xiàn)文件磁盤地址和進(jìn)程虛擬地址空間中一段虛擬地址的一一對(duì)映關(guān)系，函數(shù)原型如下

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

實(shí)現(xiàn)這樣的映射關(guān)系后，進(jìn)程就可以采用指針的方式讀寫操作這一段內(nèi)存，而系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回寫臟頁(yè)面到對(duì)應(yīng)的文件磁盤上，即完成了對(duì)文件的操作而不必再調(diào)用read,write等系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。如下圖所示

mmap除了可以減少read,write等系統(tǒng)調(diào)用以外，還可以減少內(nèi)存的拷貝次數(shù)，比如在read調(diào)用時(shí)，一個(gè)完整的流程是操作系統(tǒng)讀磁盤文件到頁(yè)緩存，再?gòu)捻?yè)緩存將數(shù)據(jù)拷貝到read傳遞的buffer里，而如果使用mmap之后，操作系統(tǒng)只需要將磁盤讀到頁(yè)緩存，然后用戶就可以直接通過指針的方式操作mmap映射的內(nèi)存，減少了從內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)的數(shù)據(jù)拷貝

mmap適合于對(duì)同一塊區(qū)域頻繁讀寫的情況，比如一個(gè)64M的文件存儲(chǔ)了一些索引信息，我們需要頻繁修改并持久化到磁盤，這樣可以將文件通過mmap映射到用戶虛擬內(nèi)存，然后通過指針的方式修改內(nèi)存區(qū)域，由操作系統(tǒng)自動(dòng)將修改的部分刷回磁盤，也可以自己調(diào)用msync手動(dòng)刷磁盤