1439
存儲介質(zhì)的性能
話不多說，先看一張圖，下圖左邊是磁盤到內(nèi)存的不同介質(zhì)，右邊形象地描述了每種介質(zhì)的讀寫速率。一句話總結(jié)就是越靠近cpu，讀寫性能越快。了解了不同硬件介質(zhì)的讀寫速率后，你會發(fā)現(xiàn)零拷貝技術(shù)是多么的香，對于追求極致性能的讀寫系統(tǒng)而言，掌握這個技術(shù)是多么的優(yōu)秀~
上圖是當(dāng)前主流存儲介質(zhì)的讀寫性能，從磁盤到內(nèi)存、內(nèi)存到緩存、緩存到寄存器，每上一個臺階，性能就提升10倍。如果我們打開一個文件去讀里面的內(nèi)容，你會發(fā)現(xiàn)時間讀取的時間是遠大于磁盤提供的這個時延的，這是為什么呢？問題就在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)這2個概念后面深藏的I/O邏輯作怪。
內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)
內(nèi)核態(tài)：也稱為內(nèi)核空間。cpu可以訪問內(nèi)存的所有數(shù)據(jù)，還控制著外圍設(shè)備的訪問，例如硬盤、網(wǎng)卡、鼠標(biāo)、鍵盤等。cpu也可以將自己從一個程序切換到另一個程序。
用戶態(tài)：也稱為用戶空間。只能受限的訪問內(nèi)存地址，cpu資源可以被其他程序獲取。
計算機資源的管控范圍
坦白地說內(nèi)核態(tài)就是一個高級管理員，它可以控制整個資源的權(quán)限，用戶態(tài)就是一個業(yè)務(wù)，每個人都可以使用它。那計算機為啥要這么分呢？且看下文......
由于需要限制不同的程序之間的訪問能力, 防止他們獲取別的程序的內(nèi)存數(shù)據(jù), 或者獲取外圍設(shè)備的數(shù)據(jù), 并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。CPU劃分出兩個權(quán)限等級：用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。
32 位操作系統(tǒng)和 64 位操作系統(tǒng)的虛擬地址空間大小是不同的，在 Linux 操作系統(tǒng)中，虛擬地址空間的內(nèi)部又被分為內(nèi)核空間和用戶空間兩部分，如下所示：
通過這里可以看出：
32 位系統(tǒng)的內(nèi)核空間占用 1G，位于最高處，剩下的 3G 是用戶空間；
64 位系統(tǒng)的內(nèi)核空間和用戶空間都是 128T，分別占據(jù)整個內(nèi)存空間的最高和最低處，剩下的中間部分是未定義的。
內(nèi)核態(tài)控制的是內(nèi)核空間的資源管理，用戶態(tài)訪問的是用戶空間內(nèi)的資源。
從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)切換可以通過三種方式：
系統(tǒng)調(diào)用，其實系統(tǒng)調(diào)用本身就是中斷，但是軟件中斷，跟硬中斷不同。
異常：如果當(dāng)前進程運行在用戶態(tài)，如果這個時候發(fā)生了異常事件，就會觸發(fā)切換。例如：缺頁異常。
外設(shè)中斷：當(dāng)外設(shè)完成用戶的請求時，會向CPU發(fā)送中斷信號。
內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)是怎么控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)模?/h2>
舉個例子：當(dāng)計算機A上a進程要把一個文件傳送到計算機B上的b進程空間里面去，它是怎么做的呢？在當(dāng)前的計算機系統(tǒng)架構(gòu)下，它的I/O路徑如下圖所示：
計算機A的進程a先要通過系統(tǒng)調(diào)用Read（內(nèi)核態(tài)）打開一個磁盤上的文件，這個時候就要把數(shù)據(jù)copy一次到內(nèi)核態(tài)的PageCache中，進入了內(nèi)核態(tài)；
進程a負責(zé)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間的 Page Cache 搬運到用戶空間的緩沖區(qū)，進入用戶態(tài)；
進程a負責(zé)將數(shù)據(jù)從用戶空間的緩沖區(qū)搬運到內(nèi)核空間的 Socket(資源由內(nèi)核管控) 緩沖區(qū)中，進入內(nèi)核態(tài)。
進程a負責(zé)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間的 Socket 緩沖區(qū)搬運到的網(wǎng)絡(luò)中，進入用戶態(tài)；
從以上4個步驟我們可以發(fā)現(xiàn)，正是因為用戶態(tài)沒法控制磁盤和網(wǎng)絡(luò)資源，所以需要來回的在內(nèi)核態(tài)切換。這樣一個發(fā)送文件的過程就產(chǎn)生了4 次上下文切換：
read 系統(tǒng)調(diào)用讀磁盤上的文件時：用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)；
read 系統(tǒng)調(diào)用完畢：內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)；
write 系統(tǒng)調(diào)用寫到socket時：用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)；
write 系統(tǒng)調(diào)用完畢：內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)。
如此笨拙的設(shè)計，我們覺得計算機是不是太幼稚了，為啥要來回切換不能直接在用戶態(tài)做數(shù)據(jù)傳輸嗎？
CPU 全程負責(zé)內(nèi)存內(nèi)的數(shù)據(jù)拷貝，參考磁盤介質(zhì)的讀寫性能，這個操作是可以接受的，但是如果要讓內(nèi)存的數(shù)據(jù)和磁盤來回拷貝，這個時間消耗就非常的難看，因為磁盤、網(wǎng)卡的速度遠小于內(nèi)存，內(nèi)存又遠遠小于 CPU；
4 次 copy + 4 次上下文切換，代價太高。
所以計算機體系結(jié)構(gòu)的大佬們就想到了能不能單獨地做一個模塊來專職負責(zé)這個數(shù)據(jù)的傳輸，不因為占用cpu而降低系統(tǒng)的吞吐呢？方案就是引入了DMA（Direct memory access)
什么是 DMA ?
沒有 DMA ，計算機程序訪問磁盤上的數(shù)據(jù)I/O 的過程是這樣的：
CPU 先發(fā)出讀指令給磁盤控制器（發(fā)出一個系統(tǒng)調(diào)用），然后返回；
磁盤控制器接受到指令，開始準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)拷貝到磁盤控制器的內(nèi)部緩沖區(qū)中，然后產(chǎn)生一個中斷；
CPU 收到中斷信號后，讓出CPU資源，把磁盤控制器的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)一次一個字節(jié)地拷貝進自己的寄存器，然后再把寄存器里的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存，而在數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠陂g CPU 是無法執(zhí)行其他任務(wù)的。
可以看到，整個數(shù)據(jù)的傳輸有幾個問題：一是數(shù)據(jù)在不同的介質(zhì)之間被拷貝了多次；二是每個過程都要需要 CPU 親自參與（搬運數(shù)據(jù)的過程），在這個過程，在數(shù)據(jù)拷貝沒有完成前，CPU 是不能做額外事情的，被IO獨占。
如果I/O操作能比較快的完成，比如簡單的字符數(shù)據(jù)，那沒問題。如果我們用萬兆網(wǎng)卡或者硬盤傳輸大量數(shù)據(jù)，CPU就會一直被占用，其他服務(wù)無法使用，對單核系統(tǒng)是致命的。
為了解決上面的CPU被持續(xù)占用的問題，大佬們就提出了 DMA 技術(shù)，即直接內(nèi)存訪問（Direct Memory Access） 技術(shù)。
那到底什么是 DMA 技術(shù)？
所謂的 DMA（Direct Memory Access，即直接存儲器訪問）其實是一個硬件技術(shù)，其主要目的是減少大數(shù)據(jù)量傳輸時的 CPU 消耗，從而提高 CPU 利用效率。其本質(zhì)上是一個主板和 IO 設(shè)備上的 DMAC 芯片。CPU 通過調(diào)度 DMAC 可以不參與磁盤緩沖區(qū)到內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸消耗，從而提高效率。
那有了DMA，數(shù)據(jù)讀取過程是怎么樣的呢？下面我們來具體看看。
詳細過程：
用戶進程a調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用read 方法，向OS內(nèi)核（資源總管）發(fā)出 I/O 請求，請求讀取數(shù)據(jù)到自己的內(nèi)存緩沖區(qū)中，進程進入阻塞狀態(tài)；
OS內(nèi)核收到請求后，進一步將 I/O 請求發(fā)送 DMA，然后讓 CPU 執(zhí)行其他任務(wù)；
DMA 再將 I/O 請求發(fā)送給磁盤控制器；
磁盤控制器收到 DMA 的 I/O 請求，把數(shù)據(jù)從磁盤拷貝到磁盤控制器的緩沖區(qū)中，當(dāng)磁盤控制器的緩沖區(qū)被寫滿后，它向 DMA 發(fā)起中斷信號，告知自己緩沖區(qū)已滿；
DMA 收到磁盤的中斷信號后，將磁盤控制器緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)中，此時不占用 CPU，CPU 可以執(zhí)行其他任務(wù)；
當(dāng) DMA 讀取了一個固定buffer的數(shù)據(jù)，就會發(fā)送中斷信號給 CPU；
CPU 收到 DMA 的信號，知道數(shù)據(jù)已經(jīng)Ready，于是將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間，結(jié)束系統(tǒng)調(diào)用；
DMA技術(shù)就是釋放了CPU的占用時間，它只做事件通知，數(shù)據(jù)拷貝完全由DMA完成。雖然DMA優(yōu)化了CPU的利用率，但是并沒有提高數(shù)據(jù)讀取的性能。為了減少數(shù)據(jù)在2種狀態(tài)之間的切換次數(shù)，因為狀態(tài)切換是一個非常、非常、非常繁重的工作。為此，大佬們就提了零拷貝技術(shù)。
零拷貝技術(shù)實現(xiàn)的方式
常見的有2種，而今引入持久化內(nèi)存后，還有APP直接訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)的方式，這里先不展開。下面介紹常用的2種方案，它們的目的減少“上下文切換”和“數(shù)據(jù)拷貝”的次數(shù)。
mmap + write（系統(tǒng)調(diào)用）
sendfile
mmap + write
主要目的，減少數(shù)據(jù)的拷貝
read() 系統(tǒng)調(diào)用：把內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶的緩沖區(qū)里，用 mmap() 替換 read() ，mmap() 直接把內(nèi)核緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)映射到用戶空間，減少這一次拷貝。
buf = mmap(file, len);
write(sockfd, buf, len);
具體過程如下：
應(yīng)用進程調(diào)用了 mmap() 后，DMA 會把磁盤的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核的緩沖區(qū)里。因為建立了這個內(nèi)存的mapping，所以用戶態(tài)的數(shù)據(jù)可以直接訪問了；
應(yīng)用進程再調(diào)用 write()，CPU將內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到 socket 緩沖區(qū)中，這一切都發(fā)生在內(nèi)核態(tài)
DMA把內(nèi)核的 socket 緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)，拷貝到網(wǎng)卡的緩沖區(qū)里
由上可知，系統(tǒng)調(diào)用mmap() 來代替 read()， 可以減少一次數(shù)據(jù)拷貝。那我們是否還有優(yōu)化的空間呢？畢竟用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)仍然需要 4 次上下文切換，系統(tǒng)調(diào)用還是 2 次。那繼續(xù)研究下是否還能繼續(xù)減少切換和數(shù)據(jù)拷貝呢？答案是確定的：可以
sendfile
Linux 內(nèi)核版本 2.1 提供了一個專門發(fā)送文件的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù) sendfile()，函數(shù)形式如下：
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
參數(shù)說明：
前2個參數(shù)分別是目的端和源端的文件描述符，
后2個參數(shù)是源端的偏移量和復(fù)制數(shù)據(jù)的長度，返回值是實際復(fù)制數(shù)據(jù)的長度。
首先，使用sendfile()可以替代前面的 read() 和 write() 這兩個系統(tǒng)調(diào)用，減少一次系統(tǒng)調(diào)用和 2 次上下文切換。
其次，sendfile可以直接把內(nèi)核緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)拷貝到 socket 緩沖區(qū)里，不再拷貝到用戶態(tài)，優(yōu)化后只有 2 次上下文切換，和 3 次數(shù)據(jù)拷貝。如下圖：
盡管如此，我們還是又數(shù)據(jù)拷貝，這不符合我們的標(biāo)題目標(biāo)。如果網(wǎng)卡支持 SG-DMA（The Scatter-Gather Direct Memory Access）技術(shù)，我們就可以進一步減少通過 CPU 把內(nèi)核緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)拷貝到 socket 緩沖區(qū)的過程。
我們可以在 Linux 系統(tǒng)下通過下面的命令，查看網(wǎng)卡是否支持 scatter-gather 特性：
$ ethtool -k eth0 | grep scatter-gather
scatter-gather: on
于是，從 Linux 內(nèi)核 2.4 版本開始起，對于支持網(wǎng)卡支持 SG-DMA 技術(shù)的情況下， sendfile() 系統(tǒng)調(diào)用的過程發(fā)生了點變化，具體過程如下：
通過 DMA 將磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)里；
緩沖區(qū)描述符和數(shù)據(jù)長度傳到 socket 緩沖區(qū)，這樣網(wǎng)卡的 SG-DMA 控制器就可以直接將內(nèi)核緩存中的數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡的緩沖區(qū)里；
在這個過程之中，實際上只進行了 2 次數(shù)據(jù)拷貝，如下圖：
這就是零拷貝（Zero-copy）技術(shù)，因為我們沒有在內(nèi)存層面去拷貝數(shù)據(jù)，也就是說全程沒有通過 CPU 來搬運數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)都是通過 DMA 來進行傳輸?shù)摹?/p>
零拷貝技術(shù)的文件傳輸方式相比傳統(tǒng)文件傳輸?shù)姆绞?，只需?2 次上下文切換和數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)，就可以完成文件的傳輸，而且 2 次的數(shù)據(jù)拷貝過程，都不需要通過 CPU，2 次都是由 DMA 來搬運。
所以，零拷貝技術(shù)可以把文件傳輸?shù)男阅芴岣咧辽僖槐丁?/p>
為啥要聊PageCache？
回顧第一節(jié)的存儲介質(zhì)的性能，如果我們總是在磁盤和內(nèi)存間傳輸數(shù)據(jù)，一個大文件的跨機器傳輸肯定會讓你抓狂。那有什么方法加速呢？直觀的想法就是建立一個離CPU近的一個臨時通道，這樣就可以加速文件的傳輸。這個通道就是我們前文提到的「內(nèi)核緩沖區(qū)」，這個「內(nèi)核緩沖區(qū)」實際上是磁盤高速緩存（PageCache）。
零拷貝就是使用了DMA + PageCache 技術(shù)提升了性能，我們來看看 PageCache 是如何做到的。
從開篇的介質(zhì)性能看，磁盤相比內(nèi)存讀寫的速度要慢很多，所以優(yōu)化的思路就是盡量的把「讀寫磁盤」替換成「讀寫內(nèi)存」。因此通過 DMA 把磁盤里的數(shù)據(jù)搬運到內(nèi)存里，轉(zhuǎn)為直接讀內(nèi)存，這樣就快多了。但是內(nèi)存的空間是有限的，成本也比磁盤貴，它只能拷貝磁盤里的一小部分數(shù)據(jù)。
那就不可避免的產(chǎn)生一個問題，到底選擇哪些磁盤數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存呢？
從業(yè)務(wù)的視角來看，業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)有冷熱之分，我們通過一些的淘汰算法可以知道哪些是熱數(shù)據(jù)，因為數(shù)據(jù)訪問的時序性，被訪問過的數(shù)據(jù)可能被再次訪問的概率很高，于是我們可以用 PageCache 來緩存最近被訪問的數(shù)據(jù)，當(dāng)空間不足時淘汰最久未被訪問的數(shù)據(jù)。
讀Cache
當(dāng)內(nèi)核發(fā)起一個讀請求時(例如進程發(fā)起read()請求)，首先會檢查請求的數(shù)據(jù)是否緩存到了Page Cache中。如果有，那么直接從內(nèi)存中讀取，不需要訪問磁盤，這被稱為cache命中(cache hit)；如果cache中沒有請求的數(shù)據(jù)，即cache未命中(cache miss)，就必須從磁盤中讀取數(shù)據(jù)。然后內(nèi)核將讀取的數(shù)據(jù)緩存到cache中，這樣后續(xù)的讀請求就可以命中cache了。
page可以只緩存一個文件部分的內(nèi)容，不需要把整個文件都緩存進來。
寫Cache
當(dāng)內(nèi)核發(fā)起一個寫請求時(例如進程發(fā)起write()請求)，同樣是直接往cache中寫入，后備存儲中的內(nèi)容不會直接更新(當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)斷電關(guān)機時，存在數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險)。
內(nèi)核會將被寫入的page標(biāo)記為dirty，并將其加入dirty list中。內(nèi)核會周期性地將dirty list中的page寫回到磁盤上，從而使磁盤上的數(shù)據(jù)和內(nèi)存中緩存的數(shù)據(jù)一致。
當(dāng)滿足以下兩個條件之一將觸發(fā)臟數(shù)據(jù)刷新到磁盤操作：
數(shù)據(jù)存在的時間超過了dirty_expire_centisecs(默認300厘秒，即30秒)時間；
臟數(shù)據(jù)所占內(nèi)存 > dirty_background_ratio，也就是說當(dāng)臟數(shù)據(jù)所占用的內(nèi)存占總內(nèi)存的比例超過dirty_background_ratio(默認10，即系統(tǒng)內(nèi)存的10%)的時候會觸發(fā)pdflush刷新臟數(shù)據(jù)。
還有一點，現(xiàn)在的磁盤是擦除式讀寫，每次需要讀一個固定的大小，隨機讀取帶來的磁頭尋址會增加時延，為了降低它的影響，PageCache 使用了「預(yù)讀功能」。
在某些應(yīng)用場景下，比如我們每次打開文件只需要讀取或者寫入幾個字節(jié)的情況，會比Direct I/O多一些磁盤的讀取于寫入。
舉個例子，假設(shè)每次我們要讀 32 KB 的字節(jié)，read填充到用戶buffer的大小是0～32KB，但內(nèi)核會把其后面的 32～64 KB 也讀取到 PageCache，這樣后面讀取 32～64 KB 的成本就很低，如果在 32～64 KB 淘汰出 PageCache 前，進程需要讀這些數(shù)據(jù)，對比分塊讀取的方式，這個策略收益就非常大。
Page Cache的優(yōu)勢與劣勢
優(yōu)勢
加快對數(shù)據(jù)的訪問
減少磁盤I/O的訪問次數(shù)，提高系統(tǒng)磁盤壽命
減少對磁盤I/O的訪問，提高系統(tǒng)磁盤I/O吞吐量(Page Cache的預(yù)讀機制)
劣勢
使用額外的物理內(nèi)存空間，當(dāng)物理內(nèi)存比較緊俏的時候，可能會導(dǎo)致頻繁的swap操作，最終會導(dǎo)致系統(tǒng)的磁盤I/O負載上升。
Page Cache沒有給應(yīng)用層提供一個很好的API。導(dǎo)致應(yīng)用層想要優(yōu)化Page Cache的使用策略很難。因此一些應(yīng)用實現(xiàn)了自己的Page管理，比如MySQL的InnoDB存儲引擎以16KB的頁進行管理。
另外，由于文件太大，可能某些部分的文件數(shù)據(jù)已經(jīng)被淘汰出去了，這樣就會帶來 2 個問題：
PageCache 由于長時間被大文件的部分塊占據(jù)，而導(dǎo)致一些「熱點」的小文件可能就無法常駐 PageCache，導(dǎo)致頻繁讀寫磁盤而引起性能下降；
PageCache 中的大文件數(shù)據(jù)，由于沒有全部常駐內(nèi)存，只有部分無法享受到緩存帶來的好處，同時過多的DMA 拷貝動作，增加了時延；
因此針對大文件的傳輸，不應(yīng)該使用 PageCache。
Page Cache緩存查看工具：cachestat
PageCache的參數(shù)調(diào)優(yōu)
備注：不同硬件配置的服務(wù)器可能效果不同，所以，具體的參數(shù)值設(shè)置需要考慮自己集群硬件配置。
考慮的因素主要包括：CPU核數(shù)、內(nèi)存大小、硬盤類型、網(wǎng)絡(luò)帶寬等。
查看Page Cache參數(shù)：sysctl -a|grep dirty
調(diào)整內(nèi)核參數(shù)來優(yōu)化IO性能？
vm.dirty_background_ratio參數(shù)優(yōu)化：當(dāng)cached中緩存當(dāng)數(shù)據(jù)占總內(nèi)存的比例達到這個參數(shù)設(shè)定的值時將觸發(fā)刷磁盤操作。把這個參數(shù)適當(dāng)調(diào)小，這樣可以把原來一個大的IO刷盤操作變?yōu)槎鄠€小的IO刷盤操作，從而把IO寫峰值削平。對于內(nèi)存很大和磁盤性能比較差的服務(wù)器，應(yīng)該把這個值設(shè)置的小一點。
vm.dirty_ratio參數(shù)優(yōu)化：對于寫壓力特別大的，建議把這個參數(shù)適當(dāng)調(diào)大；對于寫壓力小的可以適當(dāng)調(diào)??；如果cached的數(shù)據(jù)所占比例(這里是占總內(nèi)存的比例)超過這個設(shè)置，系統(tǒng)會停止所有的應(yīng)用層的IO寫操作，等待刷完數(shù)據(jù)后恢復(fù)IO。所以萬一觸發(fā)了系統(tǒng)的這個操作，對于用戶來說影響非常大的。
vm.dirty_expire_centisecs參數(shù)優(yōu)化：這個參數(shù)會和參數(shù)vm.dirty_background_ratio一起來作用，一個表示大小比例，一個表示時間；即滿足其中任何一個的條件都達到刷盤的條件。
vm.dirty_writeback_centisecs參數(shù)優(yōu)化：理論上調(diào)小這個參數(shù)，可以提高刷磁盤的頻率，從而盡快把臟數(shù)據(jù)刷新到磁盤上。但一定要保證間隔時間內(nèi)一定可以讓數(shù)據(jù)刷盤完成。
vm.swappiness參數(shù)優(yōu)化：禁用swap空間，設(shè)置vm.swappiness=0
大文件傳輸怎么做？
我們先來回顧下前文的讀流程，當(dāng)調(diào)用 read 方法讀取文件時，如果數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，進程會阻塞在 read 方法調(diào)用，要等待磁盤數(shù)據(jù)的返回，如下圖：
具體過程：
當(dāng)調(diào)用 read 方法時，切到內(nèi)核態(tài)訪問磁盤資源。此時內(nèi)核會向磁盤發(fā)起 I/O 請求，磁盤收到請求后，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取到控制器緩沖區(qū)完成后，就會向內(nèi)核發(fā)起 I/O 中斷，通知內(nèi)核磁盤數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好；
內(nèi)核收到 I/O 中斷后，將數(shù)據(jù)從磁盤控制器緩沖區(qū)拷貝到 PageCache 里；
內(nèi)核把 PageCache 中的數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)，read 調(diào)用返回成功。
對于大塊數(shù)傳輸導(dǎo)致的阻塞，可以用異步 I/O 來解決，如下圖：
分為兩步執(zhí)行：
內(nèi)核向磁盤發(fā)起讀請求，因為是異步請求可以不等待數(shù)據(jù)就位就可以返回，于是CPU釋放出來可以處理其他任務(wù)；
當(dāng)內(nèi)核將磁盤中的數(shù)據(jù)拷貝到進程緩沖區(qū)后，進程將接收到內(nèi)核的通知，再去處理數(shù)據(jù)；
從上面流程來看，異步 I/O 并沒有讀寫 PageCache，繞開 PageCache 的 I/O 叫直接 I/O，使用 PageCache 的 I/O 則叫緩存 I/O。通常，對于磁盤異步 I/O 只支持直接 I/O。
因此，在高并發(fā)的場景下，針對大文件的傳輸?shù)姆绞?，?yīng)該使用「異步 I/O + 直接 I/O」來替代零拷貝技術(shù)。
直接 I/O 的兩種場景：
應(yīng)用程序已經(jīng)實現(xiàn)了磁盤數(shù)據(jù)的緩存
大文件傳輸
