Linux 系统 I/O (输入/输出)238

在任何操作系统中，I/O (输入/输出) 子系统负责管理设备和文件之间的通信。在 Linux 系统中，I/O 子系统是一个复杂的多层结构，允许应用程序高效地访问硬件设备。

块设备与字符设备

Linux 将设备分为两类：块设备和字符设备。

块设备是将数据存储在固定大小的块中，每个块都由唯一的块号标识的设备。典型的块设备是硬盘和 SSD 驱动器。程序访问块设备时，它指定要读取或写入的块号。块设备一次处理一个块，但它可以非常快速。

字符设备将数据存储为连续流，程序可以逐个字符地访问。典型的字符设备是键盘、鼠标和串行端口。程序访问字符设备时，它指定要读取或写入的字符数。字符设备比块设备慢，但允许更精细的控制。

I/O 请求

应用程序通过向 Linux 内核提交 I/O 请求来请求 I/O 操作。I/O 请求包含有关操作的详细信息，例如要读取或写入的数据块或字符数以及要访问的设备。内核负责将 I/O 请求路由到适当的设备驱动程序。

设备驱动程序

设备驱动程序是负责与特定硬件设备通信的软件模块。当提交 I/O 请求时，内核会调用相应的设备驱动程序来执行操作。设备驱动程序可以驻留在内核空间或用户空间。内核空间驱动程序具有更高的特权，而用户空间驱动程序通常更易于开发和维护。

I/O 控制器和 DMA

大多数设备都通过 I/O 控制器连接到系统，I/O 控制器是一个管理设备操作的专用电路。DMA (直接内存访问) 是一种允许设备直接与系统内存进行通信的技术，从而绕过了 CPU 的 I/O 指令。这可以大大提高 I/O 性能，特别是对于大数据传输。

文件系统

文件系统是存储在存储设备上的文件和目录的组织结构。Linux 支持多种文件系统，例如 ext4、XFS 和 NTFS。每个文件系统都具有自己的一组功能和性能特征。

缓冲和缓存

Linux 系统使用缓冲区和高速缓存来提高 I/O 性能。缓冲区是存储临时数据的内存区域，高速缓存是存储经常访问的文件和数据的内存区域。缓冲和缓存有助于减少对存储设备的实际访问次数，从而提高性能。

总结

Linux 系统 I/O 子系统是一个复杂但高效的系统，它允许应用程序有效地访问硬件设备。它由块设备、字符设备、I/O 请求、设备驱动程序、I/O 控制器、DMA、文件系统、缓冲区和高速缓存组成。理解 Linux I/O 子系统对于优化系统性能至关重要。

2024-12-24

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