深入探究Linux内核异步预读技术 (linux 内核异步预读)

随着计算机技术的发展和应用规模的逐渐扩大，对系统性能和效率的要求也越来越高，对于Linux等操作系统内核的性能提升和优化已经成为了当今计算机领域里的一个重要课题。而异步预读技术正是其中的一个重要的性能优化技术。本文就着重探讨Linux内核异步预读技术的实现原理、应用场合以及其主要的性能表现。

一、Linux内核异步预读技术的实现原理

1.1 什么是异步预读

在介绍Linux内核异步预读技术之前，我们需要先了解一下什么是异步预读。异步IO是指在进行IO操作后，发起请求的进程可以在等待IO操作完成的同时进行其他操作，而不是阻塞等待IO完成。

在数据库和操作系统等应用领域，数据通常以块(block)的形式进行读写操作。而异步预读技术则是在读取数据块的同时早早地发起下一个读取操作。这样做的好处就是，在下一次读取操作需要用到当前数据块时，可以直接调用异步预读到的数据块，提高IO效率。

异步预读技术以读取文件数据为例：

1、调用者发出一次读请求；

2、操作系统内核接受读请求，并开始从磁硬盘中读取数据；

3、如果操作系统内核发现（根据文件系统的索引结构）还有相关的连续数据块需要被读取，那么会将这些数据块也读取出来（注意这里仅读取还未被读取的数据块，并没有读取后续所需要的数据块）；

4、在等待IO操作完成的过程中，调用者可以继续进行其他处理；

5、当异步预读数据的时间截止或者已读完所有的预读块后，内核才将IO操作的结果返回给用户。

1.2 异步预读技术的实现原理

Linux内核异步预读技术的实现需要借助内核预读线程(konthroughd)，这种线程被专门设计用于异步预读技术。内核预读线程强制执行读操作请求到磁盘(或其他块设备)的顺序。并且，当一个读请求被发送时，内核预读线程将针对当前读请求同时进行某种数量的预读操作以及标记。这个标记用于指示哪些数据块已经被读取过。

当用户进程请求一个文件块时，如果这块数据被标记为已经读取，那么内核不会再次读取这个数据块。如果该数据块尚未被读取，则内核预读线程将该数据块读入 RAM 中的页面缓存。这样，当后续的读取操作需要该数据块时，就可以直接调用 RAM 中的页面缓存，而没有必要从磁盘中再次读出。由此可以看出，异步预读技术以很小的开销换取了大大提升的IO效率，从而提高了系统整体性能。

二、异步预读技术应用的场合

Linux内核异步预读技术应用于文件系统中的异步读取。该技术的主要优点是能够减少设备访问延迟，提高读取效率，从而使IO操作变得更加高效。

在Linux操作系统的文件系统中，异步预读技术主要被用于随机IO访问中，即读取随机的数据块。使用异步预读技术可以对磁盘的访问时间进行预测，并让内核在执行IO操作时提前读取高速存储器中的数据块，从而缓和设备访问延时。同时，异步预读技术的实现还可以避免了类似的文件块被重复读取的情况，这也是提高IO效率的重要手段之一。

三、异步预读技术的性能表现

异步预读技术主要针对的是文件系统的随机读取操作，因此，本文接下来我们将讨论异步预读技术在不同读取模式下的性能表现。

3.1 随机读取模式下

异步预读技术的真正优势在与随机读取模式下。STM（Storage performance measurement）是一种衡量存储性能的基准工具，异步预读技术对STM测试结果表现出了明显的性能提升。例如，对于SSD磁盘，使用异步预读技术可以提高半块大小的随机读写性能（4KB）的读取性能，从而让STMF在线性扫描条件下，速度提高了25%。在追加写操作中，使用异步预读技术也能取得18% 左右的性能提升。

3.2 顺序读取模式下

在顺序读取模式下，异步预读技术并不能带来太多的性能提升，甚至可能略有损失。因为在这种情况下，因为磁盘已经缓存了数据块，所以使用预读将会导致字节在预读块之间复制，从而减慢读取操作的速度，因此更好不要使用它。

Linux内核异步预读技术的实现原理比较简单，用途也比较广泛。用户可以根据不同的应用场合进行不同的调整，从而提升IO操作的效率和系统的性能表现。当然，这需要用户具有一定的Linux系统知识和编程能力，但它也会给用户带来更大的价值。