I/O分层

1 IO分层

在操作系统层面从上至下逐层分解，IO系统的分层结构如下图所示：

其中，物理IO层又分为磁盘和卷管理VM层，卷管理层实际上完成了逻辑IO到物理IO的映射组织关系（这一层不是必须的，但是要实现更灵活、功能更强大的存储，则必须依赖VM），逻辑IO经过映射关系的重定位，转换成实际的物理IO，然后再对应的磁盘上完成最终的物理IO操作(读写数据)。

1.1 三层结构

IO系统总体分成三部分：磁盘（存储）、VM（卷管理）和文件系统。磁盘是实际存储数据的地方，存放了各种数据；卷管理提供了对磁盘灵活管理的功能，对磁盘进行区间管理，它是实现RAID的基础；文件系统则是实现数据管理的作用，文件系统的功能很多，但是实际最核心的一点是管理、维护、索引每个文件，如果没有文件系统，那么对磁盘上的数据的引用就陷入大麻烦：应用程序怎么知道它要访问的数据在哪里呢，这就得靠文件系统来告诉它。

1.2 数据如何存放

数据主要存放在两个区域：内存和磁盘，分别对应了上图的File System和Buffer Cache。

Filesystem：解决了空间管理的问题，即：数据如何存放、读取。

Buffer Cache：解决数据缓冲的问题。对读，进行cache，即：缓存经常要用到的（磁盘上存储的）数据；对写，进行buffer，缓冲一定数据以后，一次性进行写入磁盘。

1.3 空间如何管理

对应上图的Vol Mgmt。

VM其实跟IO没有必然联系。它是处于文件系统和磁盘（存储）中间的一层。VM屏蔽了底层磁盘对上层文件系统的影响。当没有VM的时候，文件系统直接使用存储上的地址空间，因此文件系统直接受限于物理硬盘，这时如果发生磁盘空间不足的情况，不得不新增硬盘，然后重新进行数据备份、转移。而VM则可以实现动态扩展，而对文件系统没有影响（实际上还是有一定影响的，但是不会出现重新进行数据备份、转移的步骤，需要做的仅仅是短期将文件系统下线一小段时间，当然现在有些高级文件系统新增磁盘大小的时候，甚至不需要下线文件系统）。另外，VM也可以把多个磁盘合并成一个磁盘，对文件系统呈现统一的地址空间，这就是RAID实现的基础。

1.4 数据存储处理

数据处理过程对应上图的Device Driver、IO Channel和Disk Device。Device Driver定义了通过IO channel访问Disk Device的方法，并且利用IO channel传输数据到Disk Device。数据最终会存放在Disk Device，因此，效率、数据安全、容灾是这里需要考虑的问题。而提高存储的性能，则可以直接提高物理IO的性能。

1.5 逻辑IO和物理IO

逻辑IO是操作系统发起的IO，这个数据可能会放在磁盘上，也可能会放在内存（文件系统的Cache）里。

物理IO是设备驱动发起的IO，是逻辑IO经过设备映射转换得到的，IO处理的数据这个数据最终会落在磁盘上存储。

逻辑IO和物理IO不是一一对应的，一般一个逻辑IO对应一个或多个物理IO(RAID设备，一般一个逻辑IO至少对应2个物理IO)。