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隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，對(duì)系統(tǒng)性能和效率的要求也越來(lái)越高，對(duì)于Linux等操作系統(tǒng)內(nèi)核的性能提升和優(yōu)化已經(jīng)成為了當(dāng)今計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里的一個(gè)重要課題。而異步預(yù)讀技術(shù)正是其中的一個(gè)重要的性能優(yōu)化技術(shù)。本文就著重探討Linux內(nèi)核異步預(yù)讀技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理、應(yīng)用場(chǎng)合以及其主要的性能表現(xiàn)。
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一、Linux內(nèi)核異步預(yù)讀技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理
1.1 什么是異步預(yù)讀
在介紹Linux內(nèi)核異步預(yù)讀技術(shù)之前，我們需要先了解一下什么是異步預(yù)讀。異步IO是指在進(jìn)行IO操作后，發(fā)起請(qǐng)求的進(jìn)程可以在等待IO操作完成的同時(shí)進(jìn)行其他操作，而不是阻塞等待IO完成。
在數(shù)據(jù)庫(kù)和操作系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域，數(shù)據(jù)通常以塊(block)的形式進(jìn)行讀寫(xiě)操作。而異步預(yù)讀技術(shù)則是在讀取數(shù)據(jù)塊的同時(shí)早早地發(fā)起下一個(gè)讀取操作。這樣做的好處就是，在下一次讀取操作需要用到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊時(shí)，可以直接調(diào)用異步預(yù)讀到的數(shù)據(jù)塊，提高IO效率。
異步預(yù)讀技術(shù)以讀取文件數(shù)據(jù)為例：
1、調(diào)用者發(fā)出一次讀請(qǐng)求；
2、操作系統(tǒng)內(nèi)核接受讀請(qǐng)求，并開(kāi)始從磁硬盤(pán)中讀取數(shù)據(jù)；
3、如果操作系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)（根據(jù)文件系統(tǒng)的索引結(jié)構(gòu)）還有相關(guān)的連續(xù)數(shù)據(jù)塊需要被讀取，那么會(huì)將這些數(shù)據(jù)塊也讀取出來(lái)（注意這里僅讀取還未被讀取的數(shù)據(jù)塊，并沒(méi)有讀取后續(xù)所需要的數(shù)據(jù)塊）；
4、在等待IO操作完成的過(guò)程中，調(diào)用者可以繼續(xù)進(jìn)行其他處理；
5、當(dāng)異步預(yù)讀數(shù)據(jù)的時(shí)間截止或者已讀完所有的預(yù)讀塊后，內(nèi)核才將IO操作的結(jié)果返回給用戶(hù)。
1.2 異步預(yù)讀技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理
Linux內(nèi)核異步預(yù)讀技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要借助內(nèi)核預(yù)讀線(xiàn)程(konthroughd)，這種線(xiàn)程被專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于異步預(yù)讀技術(shù)。內(nèi)核預(yù)讀線(xiàn)程強(qiáng)制執(zhí)行讀操作請(qǐng)求到磁盤(pán)(或其他塊設(shè)備)的順序。并且，當(dāng)一個(gè)讀請(qǐng)求被發(fā)送時(shí)，內(nèi)核預(yù)讀線(xiàn)程將針對(duì)當(dāng)前讀請(qǐng)求同時(shí)進(jìn)行某種數(shù)量的預(yù)讀操作以及標(biāo)記。這個(gè)標(biāo)記用于指示哪些數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被讀取過(guò)。
當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程請(qǐng)求一個(gè)文件塊時(shí)，如果這塊數(shù)據(jù)被標(biāo)記為已經(jīng)讀取，那么內(nèi)核不會(huì)再次讀取這個(gè)數(shù)據(jù)塊。如果該數(shù)據(jù)塊尚未被讀取，則內(nèi)核預(yù)讀線(xiàn)程將該數(shù)據(jù)塊讀入 RAM 中的頁(yè)面緩存。這樣，當(dāng)后續(xù)的讀取操作需要該數(shù)據(jù)塊時(shí)，就可以直接調(diào)用 RAM 中的頁(yè)面緩存，而沒(méi)有必要從磁盤(pán)中再次讀出。由此可以看出，異步預(yù)讀技術(shù)以很小的開(kāi)銷(xiāo)換取了大大提升的IO效率，從而提高了系統(tǒng)整體性能。
二、異步預(yù)讀技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)合
Linux內(nèi)核異步預(yù)讀技術(shù)應(yīng)用于文件系統(tǒng)中的異步讀取。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠減少設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)延遲，提高讀取效率，從而使IO操作變得更加高效。
在Linux操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)中，異步預(yù)讀技術(shù)主要被用于隨機(jī)IO訪(fǎng)問(wèn)中，即讀取隨機(jī)的數(shù)據(jù)塊。使用異步預(yù)讀技術(shù)可以對(duì)磁盤(pán)的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，并讓內(nèi)核在執(zhí)行IO操作時(shí)提前讀取高速存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)塊，從而緩和設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)延時(shí)。同時(shí)，異步預(yù)讀技術(shù)的實(shí)現(xiàn)還可以避免了類(lèi)似的文件塊被重復(fù)讀取的情況，這也是提高IO效率的重要手段之一。
三、異步預(yù)讀技術(shù)的性能表現(xiàn)
異步預(yù)讀技術(shù)主要針對(duì)的是文件系統(tǒng)的隨機(jī)讀取操作，因此，本文接下來(lái)我們將討論異步預(yù)讀技術(shù)在不同讀取模式下的性能表現(xiàn)。
3.1 隨機(jī)讀取模式下
異步預(yù)讀技術(shù)的真正優(yōu)勢(shì)在與隨機(jī)讀取模式下。STM（Storage performance measurement）是一種衡量存儲(chǔ)性能的基準(zhǔn)工具，異步預(yù)讀技術(shù)對(duì)STM測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)出了明顯的性能提升。例如，對(duì)于SSD磁盤(pán)，使用異步預(yù)讀技術(shù)可以提高半塊大小的隨機(jī)讀寫(xiě)性能（4KB）的讀取性能，從而讓STMF在線(xiàn)性?huà)呙钘l件下，速度提高了25%。在追加寫(xiě)操作中，使用異步預(yù)讀技術(shù)也能取得18% 左右的性能提升。
3.2 順序讀取模式下
在順序讀取模式下，異步預(yù)讀技術(shù)并不能帶來(lái)太多的性能提升，甚至可能略有損失。因?yàn)樵谶@種情況下，因?yàn)榇疟P(pán)已經(jīng)緩存了數(shù)據(jù)塊，所以使用預(yù)讀將會(huì)導(dǎo)致字節(jié)在預(yù)讀塊之間復(fù)制，從而減慢讀取操作的速度，因此更好不要使用它。
Linux內(nèi)核異步預(yù)讀技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理比較簡(jiǎn)單，用途也比較廣泛。用戶(hù)可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行不同的調(diào)整，從而提升IO操作的效率和系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。當(dāng)然，這需要用戶(hù)具有一定的Linux系統(tǒng)知識(shí)和編程能力，但它也會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)更大的價(jià)值。
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`poll` 和 `epoll` 都是 Linux 中用于實(shí)現(xiàn) I/O 多路復(fù)用的機(jī)制，可以讓一個(gè)進(jìn)程同時(shí)監(jiān)聽(tīng)多個(gè)文件描述符上的事件。它們的主要區(qū)別在于實(shí)現(xiàn)方式和性能表現(xiàn)。
`poll` 函數(shù)是最早引入到 Linux 內(nèi)核中的 I/O 多路復(fù)用機(jī)制，它使用一個(gè) `pollfd` 結(jié)構(gòu)體數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)需喚爛要監(jiān)聽(tīng)的文件描述符以及每個(gè)文件描述符上需要監(jiān)聽(tīng)的事件類(lèi)型。當(dāng)調(diào)用 `poll` 函數(shù)時(shí)，內(nèi)核會(huì)遍歷所有的 `pollfd` 結(jié)構(gòu)體，檢查每個(gè)文件描述符上是否有事件發(fā)生，如果有則將該事件通知給應(yīng)用程序。但是當(dāng)需要監(jiān)聽(tīng)大量文件描述符時(shí)，由于 `poll` 函數(shù)是線(xiàn)性?huà)呙枵麄€(gè)數(shù)組來(lái)查找就緒文件描述符，因此效率較低。
而 `epoll` 函數(shù)則采用了基于事件驅(qū)動(dòng)（Event-driven）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn) I/O 多路復(fù)用。它使用一個(gè)紅黑樹(shù)（Red-Black Tree）來(lái)存儲(chǔ)需要監(jiān)聽(tīng)的文件描述符，并通過(guò)回調(diào)函數(shù)機(jī)制來(lái)通知應(yīng)用程序哪些文件描述符爛穗上發(fā)生了事件。相比于 `poll` 函饑鏈卜數(shù)，`epoll` 函數(shù)在處理大量并發(fā)連接時(shí)具有更高的效率和更低的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。
總結(jié)一下：
– `poll` 是最早引入到 Linux 內(nèi)核中的 I/O 多路復(fù)用機(jī)制，`epoll` 是后來(lái)引入的。
– `poll` 使用一個(gè)數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)需要監(jiān)聽(tīng)的文件描述符，效率較低；而 `epoll` 使用紅黑樹(shù)和回調(diào)函數(shù)機(jī)制，效率更高。
– `epoll` 可以同時(shí)監(jiān)聽(tīng)大量文件描述符上的事件，并且可以支持邊緣觸發(fā)（Edge Triggered）和水平觸發(fā)（Level Triggered）兩種模式。
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本文題目：深入探究Linux內(nèi)核異步預(yù)讀技術(shù)(linux內(nèi)核異步預(yù)讀)
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