linux文件系统中预读

1 预读需求的产生

磁盘的机械臂+旋转盘片的数据定位与读取方式，决定了它最突出的性能特点:擅长顺序读写，不善于随机I/O，I/O延迟非常大。由此而产生了两个方面的预读需求。

2 来自磁盘的需求

简单的说，磁盘的一个典型I/O操作由两个阶段组成：

1.数据定位

平均定位时间主要由两部分组成：平均寻道时间和平均转动延迟。寻道时间的典型值是4.6ms。转动延迟则取决于磁盘的转速：普通7200RPM桌面硬盘的转动延迟是4.2ms，而高端10000RPM的是3ms。这些数字多年来一直徘徊不前，大概今后也无法有大的改善了。在下文中，我们不妨使用 8ms作为典型定位时间。

2.数据传输

持续传输率主要取决于盘片的转速(线速度)和存储密度，最新的典型值为80MB/s。虽然磁盘转速难以提高，但是存储密度却在逐年改善。巨磁阻、垂直磁记录等一系列新技术的采用，不但大大提高了磁盘容量，也同时带来了更高的持续传输率。

显然，I/O的粒度越大，传输时间在总时间中的比重就会越大，因而磁盘利用率和吞吐量就会越大。简单的估算结果如表1所示。如果进行大量4KB的随机I/O，那么磁盘在99%以上的时间内都在忙着定位，单个磁盘的吞吐量不到500KB/s。但是当I/O大小达到1MB的时候，吞吐量可接近50MB /s。由此可见，采用更大的I/O粒度，可以把磁盘的利用效率和吞吐量提高整整100倍。因而必须尽一切可能避免小尺寸I/O，这正是预读算法所要做的。

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表1随机读大小与磁盘性能的关系

3 来自程序的需求

应用程序处理数据的一个典型流程是这样的:while(!done) { read(); compute(); }。假设这个循环要重复5次，总共处理5批数据，则程序运行的时序图可能如图1所示。

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图1典型的I/O时序图

不难看出，磁盘和CPU是在交替忙碌：当进行磁盘I/O的时候，CPU在等待;当CPU在计算和处理数据时，磁盘是空闲的。那么是不是可以让两者流水线作业，以便加快程序的执行速度?预读可以帮助达成这一目标。基本的方法是，当CPU开始处理第1批数据的时候，由内核的预读机制预加载下一批数据。这时候的预读是在后台异步进行的，如图2所示。

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图2预读的流水线作业

注意，在这里我们并没有改变应用程序的行为：程序的下一个读请求仍然是在处理完当前的数据之后才发出的。只是这时候的被请求的数据可能已经在内核缓存中了，无须等待，直接就能复制过来用。在这里，异步预读的功能是对上层应用程序“隐藏”磁盘I/O的大延迟。虽然延迟事实上仍然存在，但是应用程序看不到了，因而运行的更流畅。