緩存IO和直接IO

緩存IO和直接IO

緩存IO：數據從磁盤先通過DMA copy到內核空間，再從內核空間通過cpu copy到用戶空間

直接IO：數據從磁盤通過DMA copy到用戶空間

緩存IO

緩存IO又被稱為標准IO，大多數文件系統的默認IO操作都是緩存IO

​ 在Linux的緩存IO機制中嗎，數據先從磁盤復制到內核空間的緩沖區，然后從內核空間緩沖區復制到應用程序的地址空間。

• 讀操作
  • 操作系統檢查內核的緩沖區有沒有需要的數據，如果已經緩存了，那么就直接從緩存中返回。否則從磁盤中讀取，然后緩存在操作系統的緩存中。
• 寫操作
  • 將數據從用戶空間復制到內核空間的緩存中。這時對用戶程序來說寫操作就已經完成，至於什么時候再寫到磁盤中由操作系統決定。除非顯示的調用的了sync同步命名
• 緩存IO的優點
  • 在一定程度上分離了內核空間和用戶空間，保護系統本身的運行安全
  • 可以減少讀盤的次數，從而提高性能
• 緩存IO的缺點
  • 在緩存IO機制中，DMA方式可以將數據直接從磁盤讀到頁緩存中，或者將數據從頁緩存直接寫回到磁盤上，而不能直接在應用程序地址空間和磁盤之間進行數據傳輸，這樣，數據在傳輸過程中需要在應用程序地址空間（用戶空間）和緩存（內核空間）直接進行多次數據拷貝操作，這個數據拷貝操作所帶來的CPU已經內存開銷是非常大的

直接IO

直接IO就是應用程序直接訪問磁盤數據，而不經過內核緩沖區，也就是繞過內核緩沖區，自己管理IO緩存區，這樣做的目的是減少一次內核緩沖區到用戶程序緩存的數據復制

​ 引入內核緩沖區的目的在於提高磁盤文件的訪問性能，因為當進程需要讀取磁盤文件時，如果文件內容已經在內核緩沖區中，那么就不需要再次訪問磁盤。而當進程需要向文件寫入數據是，實際上只是寫到了內核緩沖區便告訴進程已經寫成功，而真正寫入磁盤是通過一定的策略進行延時的。

​ 然而，對於一些較復雜的應用，比如數據庫服務器，他們為了充分提高性能。希望繞過內核緩沖區，由自己在用戶態空間時間並管理IO緩沖區，包括緩存機制和寫延遲機制等，以支持獨特的查詢機制，比如數據庫可以根據加合理的策略來提高查詢緩存命中率。另一方面，繞過內核緩沖區也可以減少系統內存的開銷，因為內核緩沖區本身就在使用系統內存。

​ 直接IO的缺點就是如果直接訪問的數據不再應用緩存中，那么每次數據都會直接從磁盤進行加載，這種直接加載會非常緩慢，通常直接IO跟異步IO結合使用會得到較好的性能

Linux提供了對這種需求的支持，即在open()系統調用中增加參數選項O_DIRECT，用它打開的文件便可以繞過內核緩沖區的直接訪問，這樣有效避免了CPU和內存的多余時間的開銷。

順便提一下，與O_DIRECT類似的一個選項是O_SYNC，后者只對寫數據有效，它將寫入內核緩沖區的數據立即寫入磁盤，將機器故障時數據的丟失減少到最小，但是它仍然要經過內核緩沖區。