磁碟

按照儲存介質分類：機械磁碟和固態磁碟

1. 機械磁碟，也稱為硬碟驅動器，通常縮寫為HDD
   機械磁碟主要由碟片和讀寫磁頭組成，資料就儲存在碟片的環狀磁軌中
   在讀寫資料前，需要移動讀寫磁頭，定位到資料所在的磁軌，然後才能訪問資料

   連續I/O，請求剛好連續，那就不需要磁軌定址，可以獲得最佳效能

   隨機I/O，它需要不停地移動磁頭，來定位資料位置，所以讀寫速度就會比較慢

2. 固態磁碟，通常縮寫為SSD，由固態電子元器件組成
   固態磁碟不需要磁軌定址，所以不管是連續I/O，還是隨機I/O的效能，都比機械磁碟要好得多

   
   

其實，無論機械磁碟，還是固態磁碟，相同磁碟的隨機I/O都要比連續I/O慢很多，原因也很明顯

1. 對機械磁碟來說，由於隨機I/O需要更多的磁頭尋道和碟片旋轉，它的效能自然要比連續I/O慢
2. 對固態磁碟來說，雖然它的隨機效能比機械硬碟好很多，但同樣存在“先擦除再寫入”的限制
   隨機讀寫會導致大量的垃圾回收，所以相對應的，隨機I/O的效能比起連續I/O來，也還是差了很多
   連續I/O還可以通過預讀的方式，來減少I/O請求的次數，這也是其效能優異的一個原因
   很多效能優化的方案，也都會從這個角度出發，來優化I/O效能

此外，機械磁碟和固態磁碟還分別有一個最小的讀寫單位

1. 機械磁碟的最小讀寫單位是扇區，一般大小為512位元組
2. 固態磁碟的最小讀寫單位是頁，通常大小是4KB、8KB等

按照介面分類：

可以把硬碟分為IDE、SCSI 、SAS、SATA 、FC等

不同的介面，往往分配不同的裝置名稱
比如， IDE裝置會分配一個hd字首的裝置名
SCSI和SATA裝置會分配一個sd字首的裝置名
如果是多塊同類型的磁碟，就會按照a、b、c等的字母順序來編號

按照使用方式劃分為多種不同的架構：

1. 直接作為獨立磁碟裝置來使用。
   這些磁碟，往往還會根據需要，劃分為不同的邏輯分割槽，每個分割槽再用數字編號
   例如/dev/sda，還可以分成兩個分割槽/dev/sda1和/dev/sda2
2. RAID冗餘獨立磁碟陣列。
   可以提高資料訪問的效能，並且增強資料儲存的可靠性
   根據容量、效能和可靠性需求的不同
   RAID一般可以劃分為多個級別，如RAID0、RAID1、RAID5、RAID10等
   1. RAID0有最優的讀寫效能，但不提供資料冗餘的功能
   2. 其他級別的RAID，在提供資料冗餘的基礎上，對讀寫效能也有一定程度的優化
3. 磁碟組合成一個網路儲存叢集。
   通過 NFS、SMB、iSCSI 等網 絡儲存協議，暴露給伺服器使用

在Linux中，磁碟實際上是作為一個塊裝置來管理的，也就是以塊為單位讀寫資料，並且支援隨機讀寫
每個塊裝置都會被賦予兩個裝置號，分別是主、次裝置號
主裝置號用在驅動程式中，用來區分裝置型別
而次裝置號則是用來給多個同類裝置編號

通用塊層

跟虛擬檔案系統VFS類似，為了減小不同塊裝置的差異帶來的影響，Linux通過一個統一的通用塊層，來管理各種不同的塊裝置

通用塊層，其實是處在檔案系統和磁碟驅動中間的一個塊裝置抽象層
它主要有兩個功能：

1. 第一個功能跟虛擬檔案系統的功能類似
   向上，為檔案系統和應用程式，提供訪問塊裝置的標準介面
   向下，把各種異構的磁碟裝置抽象為統一的塊裝置，並提供統一框架來管理這些裝置的驅動程式
2. 第二個功能，通用塊層還會給檔案系統和應用程式發來的I/O請求排隊
   並通過重新排序、請求合併等方式，提高磁碟讀寫的效率

其中，對I/O請求排序的過程，就是I/O排程，事實上，Linux核心支援四種I/O排程演算法

1. NONE更確切來說，並不能算I/O排程演算法
   因為它完全不使用任何I/O排程器，對檔案系統和應用程式的I/O其實不做任何處理，常用在虛擬機器中（此時磁碟I/O排程完全由物理機負責）
2. NOOP 是最簡單的一種I/O排程演算法
   它實際上是一個先入先出的佇列，只做一些最基本的請求合併，常用於SSD磁碟
3. CFQ也被稱為完全公平排程器
   是現在很多發行版的預設I/O排程器，它為每個程序維護了一個I/O排程佇列
   並按照時間片來均勻分佈每個程序的I/O請求
   類似於程序CPU排程，CFQ還支援程序I/O的優先順序排程，
   所以它適用於執行大量程序的系統，像是桌面環境、多媒體應用等
4. DeadLine排程演算法
   分別為讀、寫請求建立了不同的I/O佇列，可以提高機械磁碟的吞吐量，並確保達到最終期限的請求被優先處理
   DeadLine排程演算法，多用在I/O壓力比較重的場景，比如資料庫等

I/O棧

可以把Linux儲存系統的I/O棧，由上到下分為三個層次
分別是檔案系統層、通用塊層和裝置層
這三個I/O層的關係如下圖所示，這其實也是Linux儲存系統的I/O棧全景圖

根據這張I/O棧的全景圖，可以更清楚地理解儲存系統I/O的工作原理

1. 檔案系統層，包括虛擬檔案系統和其他各種檔案系統的具體實現
   它為上層的應用程式，提供標準的檔案訪問介面
   對下會通過通用塊層，來儲存和管理磁碟資料
2. 通用塊層，包括塊裝置I/O佇列和I/O排程器
   它會對檔案系統的I/O請求進行排隊， 再通過重新排序和請求合併，然後才要傳送給下一級的裝置層
3. 裝置層，包括儲存裝置和相應的驅動程式，負責最終物理裝置的I/O操作

儲存系統的I/O ，通常是整個系統中最慢的一環。所以，Linux通過多種快取機制來優化I/O效率

比方說，為了優化檔案訪問的效能，會使用頁快取、索引節點快取、目錄項快取等多種快取機制，以減少對下層塊裝置的直接呼叫

同樣，為了優化塊裝置的訪問效率，會使用緩衝區，來快取塊裝置的資料

小結

由檔案系統層、通用塊層和裝置層構成的Linux儲存系統I/O棧

通用塊層是Linux磁碟I/O的核心，向上，它為檔案系統和應用程式，提供訪問了塊裝置的標準介面
向下，把各種異構的磁碟裝置，抽象為統一的塊裝置
並會對檔案系統和應用程式發來的I/O請求進行重新排序、請求合併等，提高了磁碟訪問的效率