ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

linux # sysctl -a | grep centi
vm.dirty_writeback_centisecs = 500
vm.dirty_expire_centisecs = 3000
linux # sysctl -a | grep background_ratio
vm.dirty_background_ratio = 10 

linux # cat /proc/slabinfo | grep buffer_head
buffer_head 12253 12284 104 37 1 : tunables 120 60 8 : slabdata 332 332 0

linux # echo 1 > /proc/sys/vm/block_dump
linux # tail -n 3 /var/log/messages
Aug 7 00:50:31 linux-q62c kernel: [ 7523.602144] bash(5466): READ block 1095792 on sda1
Aug 7 00:50:31 linux-q62c kernel: [ 7523.622857] bash(5466): dirtied inode 27874 (tail) on sda1
Aug 7 00:50:31 linux-q62c kernel: [ 7523.623213] tail(5466): READ block 1095824 on sda1

crash > dev -d
MAJOR            GENDISK NAME            REQUEST QUEUE TOTAL ASYNC SYNC DRV8 0xffff880119e85800  sda 0xffff88011a6a6948    10     0     0   108 0xffff880119474800  sdb 0xffff8801195632d0     0     0     0    0

执行以下命令，可以查看sda设备的请求队列大小：

linux # cat /sys/block/sda/queue/nr_requests
128

如何对I/O请求进行合并、排序，那就是I/O调度算法完成的工作，Linux支持多种I/O调度算法，通过以下命令可以查看：

linux # cat /sys/block/sda/queue/scheduler
noop anticipatory deadline [cfq]

块I/O层的另一个作用就是对I/O读写情况进行统计，执行iostat命令，看到的就是该层提供的统计信息：

linux # iostat -x -k -d 1
Device: rrqm/s wrqm/s    r/s   w/s rkB/s    wkB/s avgrq-sz avgqu-sz   await svctm %utilsda     0.00 9915.00 1.00 90.00  4.00 34360.00   755.25      11.79 120.57   6.33 57.60

其中rrqm/s、wrqm/s分别指示了每秒写请求、读请求的合并次数。

task_io_account_read函数用于统计各个进程发起的读请求量， 由该函数得到的是进程读请求量的准确值。而对于写请求，由于数据写入cache后write调用就返回，因而在内核的层面无法统计到一个进程发起的准确写请求量，读时进程会等buff可用，而写则写入cache后返回，读是同步的，写却不一定同步，这是读写实现上的最大区别。

再往下就是设备层，设备从队列中取出I/O请求，scsi的scsi_request_fn函数就是完成取请求并处理的任务。scsi层最终将处理请求转化为指令，指令下发后进行DMA(direct memory access)映射，将内存的部分cache映射到DMA，这样设备绕过cpu直接操作主存。

设备层完成内存数据到磁盘拷贝后，该消息将一层层上报，最后内核去除原脏页的dirty位标志。

以上为写磁盘的大致实现过程，对于读磁盘，内核首先在缓存中查找对应内容，若命中则不会进行磁盘操作。若进程读取一个字节的数据，内核不会仅仅返回一个字节，其以页面为单位(4KB)，最少返回一个页面的数据。另外，内核会预读磁盘数据，执行以下命令可以看到能够预读的最大数据量(以KB为单位)：

linux # cat /sys/block/sda/queue/read_ahead_kb
512

下面我们通过一段systemtap代码，了解内核的预读机制：

//test.stp
probe kernel.function("submit_bio") {if(execname() == "dd" && __bio_ino($bio) == 5234){printf("inode %d %s on %s %d bytes start %d\n",__bio_ino($bio),bio_rw_str($bio),__bio_devname($bio),$bio->bi_size,$bio->bi_sector)}
}

以上代码指示当dd命令读写inode号为5234的文件、经过内核函数submit_bio时，输出inode号、操作方式(读或写)、文件所在设备名、读写大小、扇区号信息。执行以下代码安装探测模块：

stap test.stp &

之后我们使用dd命令读取inode号为5234的文件(可通过stat命令取得文件inode号)：

dd if=airport.txt of=/dev/null bs=1 count=10000000

以上命令故意将bs设为1，即每次读取一个字节，以此观察内核预读机制。执行该命令的过程中，我们在终端中可以看到以下输出：

inode 5234 R on sda2 16384 bytes start 70474248
inode 5234 R on sda2 32768 bytes start 70474280
inode 5234 R on sda2 32768 bytes start 70474352
inode 5234 R on sda2 131072 bytes start 70474416
inode 5234 R on sda2 262144 bytes start 70474672
inode 5234 R on sda2 524288 bytes start 70475184

由以上输出可知，预读从16384字节(16KB)逐渐增大，最后变为524288字节(512KB)，可见内核会根据读的情况动态地调整预读的数据量。

由于读、写磁盘均要经过submit_bio函数处理，submit_bio之后读、写的底层实现大致相同。

直接I/O

当我们以O_DIRECT标志调用open函数打开文件时，后续针对该文件的read、write操作都将以直接I/O(direct I/O)的方式完成；对于裸设备，I/O方式也为直接I/O。

直接I/O跳过了文件系统这一层，但块层仍发挥作用，其将内存页与磁盘扇区对应上，这时不再是建立cache到DMA映射，而是进程的buffer映射到DMA。进行直接I/O时要求读写一个扇区(512bytes)的整数倍，否则对于非整数倍的部分，将以带cache的方式进行读写。

使用直接I/O，写磁盘少了用户态到内核态的拷贝过程，这提升了写磁盘的效率，也是直接I/O的作用所在。而对于读操作，第一次直接I/O将比带cache的方式快，但因带cache方式后续再读时将从cache中读，因而后续的读将比直接I/O快。有些数据库使用直接I/O，同时实现了自己的cache方式。

异步I/O

Linux下有两种异步I/O(asynchronous I/O)方式，一种是aio_read/aio_write库函数调用，其实现方式为纯用户态的实现，依靠多线程，主线程将I/O下发到专门处理I/O的线程，以此达到主线程异步的目的。

另一种是io_submit，该函数是内核提供的系统调用，使用io_submit也需要指定文件的打开方式为O_DIRECT，并且读写需按扇区对齐。

Reference: Chapter 14 - The Block I/O Layer, Linux kernel development.3rd.Edition