说说IO

参考，感谢原作者

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IO性能对于一个系统的影响是至关重要的。一个系统经过多项优化以后，瓶颈往往落在数据库；而数据库经过多种优化以后，瓶颈最终会落到IO。而IO性能的发展，明显落后于CPU的发展。Memchached也好，NoSql也好，这些流行技术的背后都在直接或者间接地回避IO瓶颈，从而提高系统性能。

 

IO系统的分层

 

1.   三层结构

上图层次比较多，但总的就是三部分。磁盘（存储）、VM（卷管理）和文件系统。专有名词不好理解，打个比方说：磁盘就相当于一块待用的空地；LVM相当于空地上的围墙（把空地划分成多个部分）；文件系统则相当于每块空地上建的楼房（决定了有多少房间、房屋编号如何，能容纳多少人住）；而房子里面住的人，则相当于系统里面存的数据。

 

• 文件系统—数据如何存放？

 

对应了上图的File System和Buffer Cache。

File System（文件系统）：解决了空间管理的问题，即：数据如何存放、读取。

Buffer Cache：解决数据缓冲的问题。对读，进行cache，即：缓存经常要用到的数据；对写，进行buffer，缓冲一定数据以后，一次性进行写入。

 

• VM—磁盘空间不足了怎么办？

 

对应上图的Vol Mgmt。

VM其实跟IO没有必然联系。他是处于文件系统和磁盘（存储）中间的一层。VM屏蔽了底层磁盘对上层文件系统的影响。当没有VM的时候，文件系统直接使用存储上的地址空间，因此文件系统直接受限于物理硬盘，这时如果发生磁盘空间不足的情况，对应用而言将是一场噩梦，不得不新增硬盘，然后重新进行数据复制。而VM则可以实现动态扩展，而对文件系统没有影响。另外，VM也可以把多个磁盘合并成一个磁盘，对文件系统呈现统一的地址空间，这个特性的杀伤力不言而喻。

• 存储—数据放在哪儿？如何访问？如何提高IO速度？

 

对应上图的Device Driver、IO Channel和Disk Device

数据最终会放在这里，因此，效率、数据安全、容灾是这里需要考虑的问题。而提高存储的性能，则可以直接提高物理IO的性能

 

    2. Logical IO vs Physical IO

 

逻辑IO是操作系统发起的IO，这个数据可能会放在磁盘上，也可能会放在内存（文件系统的Cache）里。

物理IO是设备驱动发起的IO，这个数据最终会落在磁盘上。

      逻辑IO和物理IO不是一一对应的。

这部分的东西在网络编程经常能看到，不过在所有IO处理中都是类似的。

IO请求的两个阶段：

       等待资源阶段：IO请求一般需要请求特殊的资源（如磁盘、RAM、文件），当资源被上一个使用者使用没有被释放时，IO请求就会被阻塞，直到能够使用这个资源。

       使用资源阶段：真正进行数据接收和发生。

       举例说就是排队和服务。

 在等待数据阶段，IO分为阻塞IO和非阻塞IO。

       阻塞IO：资源不可用时，IO请求一直阻塞，直到反馈结果（有数据或超时）。

       非阻塞IO：资源不可用时，IO请求离开返回，返回数据标识资源不可用

 在使用资源阶段，IO分为同步IO和异步IO。

       同步IO：应用阻塞在发送或接收数据的状态，直到数据成功传输或返回失败。

       异步IO：应用发送或接收数据后立刻返回，数据写入OS缓存，由OS完成数据发送或接收，并返回成功或失败的信息给应用。

 

 

按照Unix的5个IO模型划分

 

• 阻塞IO
• 非阻塞IO
• IO复用
• 信号驱动的IO
• 异步IO

从性能上看，异步IO的性能无疑是最好的。

 

各种IO的特点

• 阻塞IO：使用简单，但随之而来的问题就是会形成阻塞，需要独立线程配合，而这些线程在大多数时候都是没有进行运算的。Java的BIO使用这种方式，问题带来的问题很明显，一个Socket需要一个独立的线程，因此，会造成线程膨胀。
• 非阻塞IO：采用轮询方式，不会形成线程的阻塞。Java的NIO使用这种方式，对比BIO的优势很明显，可以使用一个线程进行所有Socket的监听（select）。大大减少了线程数。

 

• 同步IO：同步IO保证一个IO操作结束之后才会返回，因此同步IO效率会低一些，但是对应用来说，编程方式会简单。Java的BIO和NIO都是使用这种方式进行数据处理。
• 异步IO：由于异步IO请求只是写入了缓存，从缓存到硬盘是否成功不可知，因此异步IO相当于把一个IO拆成了两部分，一是发起请求，二是获取处理结果。因此，对应用来说增加了复杂性。但是异步IO的性能是所有很好的，而且异步的思想贯穿了IT系统放放面面。