OCFS2读流程分析与性能特性
OCFS2文件系统读流程与其它文件系统大同小异。在用户层面并不能感知到文件系统的任何差异，通常是通过调用read函数完成读数据的操作。
1OCFS2读数据主流程
用户态的API函数会通过软中断调用内核的函数，对于read来说，最终会调用vfs_read函数。然后，该函数执行下面整个的读数据流程。根据打开文件是使用的旗标的差异，读数据流程也会有差异，比如打开文件时如果使用了O_DIRECT旗标，那么是进行直接读，会绕过文件系统缓存。
如果没有该标记，那么执行read函数的时候会进行缓存读。缓存读会先检查缓存中是否存在需要的数据，如果存在则直接返回。如果缓存中没有数据，则需要从磁盘读取数据。如图1是缓存读，且没有缓存命中情况下的主要流程。
上图中read函数是用户态的API函数。然后蓝色方块中的函数是VFS（虚拟文件系统）中的函数。最后绿色方块中的函数则是具体文件系统的函数，本文为OCFS2文件系统中的函数。可以看到，VFS和OCFS2之间存在交叉调用的情况。
上图中ocfs2_file_read_iter函数是OCFS2文件系统读数据的入口函数，所有的读请求都要经过该函数。在该函数内部会调用VFS的generic_file_read_iter函数，而该函数根据文件的属性有不同的流程，具体如图所示。
这里面的流程分为2个主要流程，如果打开文件的时候有O_DIRECT旗标，则走直接读的流程。该流程不会经过Linux缓存，而是直接从磁盘上读取数据，并返回给应用程序。如果没有该旗标，则走缓存读流程。缓存读又分为2种情况，一种是缓存有数据的情况，那么直接将缓存数据返回；另外一种是缓存没有数据的情况，则需要从磁盘读取数据后填充缓存，最后再返回。
2读文件的性能优化-缓存预读技术
我们知道对于普通机械磁盘，大块连续读肯定比小块读的性能要高的多。这就好比我们用汽车在A，B两个城市运输获取，如果每次运输一整车的效率肯定要比每次运输1/10车的效率高很多。
文件系统的缓存预读技术正是这样一种技术，它通过文件系统的IO模式，预测读数据的请求，并提前读取磁盘数据到缓存的方式来提高文件系统读取数据的性能。
比如我们在看视频的时候，视频软件通常不会直接将整个视频文件读取出来，因为这样可能太大了，也没有必要。通常的方式以一段一段的读取，并进行渲染。由于大的视频文件在磁盘上通常是顺序存储的，因此文件系统可以提前将后续的数据读取到内存，这样视频软件就可以直接从缓存取数据，从而避免由于从磁盘读取数据可能导致的播放卡顿的问题。
废话一箩筐，现在我们介绍一下Linux文件系统的预读技术。为了便于说明问题，我们以页为单位进行介绍，也就是应用读取数据的最小粒度是一个页，而底层从磁盘读取数据的最小粒度也是一个页。实际读取数据的长度总是页大小的整数倍。
预读算法的涉及的结构体（file_ra_state）如图所示，该结构体是file结构体的成员。从结构体之间的关系我们可以意识到，预读是以文件为单位进行的。该结构体各个成员的含义请参考图中英文注释。
预读分为两种模式，一种是同步预读，另外一种是异步预读。同步预读需要等待完成磁盘读取请求；异步预读不需要等待，只有请求提交即可即可返回。
其实所有文件都使用的VFS的公共特性来实现预读。如图1所示，同步预读和异步预读的起始逻辑在函数do_generic_file_read中。其中find_get_page用于查找是否有缓存并返回找到的缓存页。如果没有找到缓存页则运行红色方框的流程，进行同步预读。如果找到缓存页，并且该缓存页有预读标记则运行绿色方框的流程，进行异步预读。
对比一下同步预读和异步预读的主要调用流程，可以看出最终都会调用到__do_page_cache_readahead函数。实现逻辑的差异主要在ondemand_readahead函数中。基本差异是对滑动窗口的计算，对于同步预读由于要考虑随机读的情况，避免读过多的内容；而对于异步预读则根据达到预读标记则调整一个比较大的滑动窗口。
page_cache_sync_readahead->ondemand_readahead->__do_page_cache_readaheadpage_cache_async_readahead->ondemand_readahead->__do_page_cache_readahead
为了更加清楚的理解上述过程，我们通过如图所示的图像来解释同步预读与异步预读整个过程。其中T0-T4表示时间轴。不同颜色的方块代表不同状态的页。
预读的基本规则主要包含两个，一个是在读请求中读到缺失页面(missing page)，进行同步预读；另一个是读到预读页面(PG_readahead page)，则进行异步预读。如图6是预读的基本示意图。
1） T0触发同步预读，由于读取的数据在缓存中不存在，因此此时触发了同步预读。同步预读不仅仅会读取期望的数据，还会额外读取一部分数据（通过函数get_init_ra_size进行计算）；
2） T1时由于读到的缓存页有预读标记，因此会触发异步预读；
3） T2时由于缓存已经存在，因此直接从缓存读取后返回；
以此类推，当再次碰到有预读标记的页时进行异步预读。另外，这里面有个概念叫“预读窗口”，预读窗口是指一次从磁盘预读数据的多少。预读窗口是滑动的，也就是大小会根据命中情况进行变化，如果命中则会变大，这样可以有效的提高读取的效率。
预读算法的基本原理就是这样的。如果想更加清晰的理解预读算法，还需要预读内核的源代码，里面大体流程是一样的，更多的是关于一些预读窗口相关数据的计算过程。
- 发表于:
- 原文链接：https://page.om.qq.com/page/Oy2AJ26QM9gffUijYzBsQhYw0
- 腾讯「腾讯云开发者社区」是腾讯内容开放平台帐号（企鹅号）传播渠道之一，根据《腾讯内容开放平台服务协议》转载发布内容。
- 如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。
相关快讯
扫码
添加站长 进交流群
领取专属 10元无门槛券
私享最新 技术干货
腾讯云开发者
