Linux 中直接 I/O 机制的介绍 - vibecoding

之前，如果这些页面中的内容改变了，那么调用者必须要通知操作系统内核，否则虚拟存储子系统会认为这些页面是干净的，从而导致这些数据被修改了的页面在被释放之前无法被写回到永久存储中去。因此，如果改变了页中的数据，那么就必须使用 SetPageDirty() 函数标记出每个被改变的页。对于 Linux 2.6.18.1，该宏定义在 /include/linux/page_flags.h 中。执行该操作的代码一般需要先检查页，以确保该页不在内存映射的保留区域内，因为这个区的页是不会被交换出去的，其代码如下所示：

if (!PageReserved(page)) SetPageDirty(page);

但是，由于用户空间所映射的页面通常不会被标记为保留，所以上述代码中的检查并不是严格要求的。

最终，在直接 I/O 操作完成之后，不管页面是否被改变，它们都必须从页缓存中释放，否则那些页面永远都会存在在那里。函数 page_cache_release() 就是用于释放这些页的。页面被释放之后，调用者就不能再次访问它们。

关于如何在字符设备驱动程序中加入对直接 I/O 的支持，Linux 2.6.18.1 源代码中 /drivers/scsi/st.c 给出了一个完整的例子。其中，函数 sgl_map_user_pages（）和 sgl_map_user_pages（）几乎涵盖了本节中介绍的所有内容。

直接 I/O 技术的特点

直接 I/O 的优点

直接 I/O 最主要的优点就是通过减少操作系统内核缓冲区和应用程序地址空间的数据拷贝次数，降低了对文件读取和写入时所带来的 CPU 的使用以及内存带宽的占用。这对于某些特殊的应用程序，比如自缓存应用程序来说，不失为一种好的选择。如果要传输的数据量很大，使用直接 I/O 的方式进行数据传输，而不需要操作系统内核地址空间拷贝数据操作的参与，这将会大大提高性能。

直接 I/O 潜在可能存在的问题

直接 I/O 并不一定总能提供令人满意的性能上的飞跃。设置直接 I/O 的开销非常大，而直接 I/O 又不能提供缓存 I/O 的优势。缓存 I/O 的读操作可以从高速缓冲存储器中获取数据，而直接 I/O 的读数据操作会造成磁盘的同步读，这会带来性能上的差异 , 并且导致进程需要较长的时间才能执行完；对于写数据操作来说，使用直接 I/O 需要 write() 系统调用同步执行，否则应用程序将会不知道什么时候才能够再次使用它的 I/O 缓冲区。与直接 I/O 读操作类似的是，直接 I/O 写操作也会导致应用程序关闭缓慢。所以，应用程序使用直接 I/O 进行数据传输的时候通常会和使用异步 I/O 结合使用。

总结

Linux 中的直接 I/O 访问文件方式可以减少 CPU 的使用率以及内存带宽的占用，但是直接 I/O 有时候也会对性能产生负面影响。所以在使用直接 I/O 之前一定要对应用程序有一个很清醒的认识，只有在确定了设置缓冲 I/O 的开销非常巨大的情况下，才考虑使用直接 I/O。直接 I/O 经常需要跟异步 I/O 结合起来使用，本文对异步 I/O 没有作详细介绍，有兴趣的读者可以参看 Linux 2.6 中相关的文档介绍。

Linux 中直接 I/O 机制的介绍(六)