前言
最近在看《Linux 内核设计与实现》的时候，就想着要不把常识串联一下吧。
聊什么呢？明天先来聊聊 Android IO 的调用链路。
说起 IO，这可真是一个很简单的过程，外面波及了很多内容，先是软件，最初到硬件，用一张图来示意一下吧：
本文打算简略得和大伙讨论一下 IO 的流程。
一、应用层
作为利用开发者，咱们通常是 IO 发动点，比方用户说这本小说很难看，我要下载到本地，或者，这张图拍的不错，分享给你看一下。
尽管这些都是常见的 IO 场景，然而你晓得有哪些 IO 吗？
1. IO 的分类
通常去应用 IO 的时候，咱们会有很多种抉择，常见的有：
- 缓冲与非缓冲 IO
- 间接与非间接 IO
- 阻塞与非阻塞 IO
- 同步与异步 IO
大家平时可能也就听过缓冲 IO 和 阻塞 IO，这些可能是咱们平时开发可能波及到的。
1.1 缓冲和间接
前两种分类都是应用缓存的。
缓冲是针对规范库的 。
Linux 规范库定义了很多操作系统的根底服务，比方输出 / 输入、字符串解决等等。Android 操作系统的规范库是 Bionic，它可是应用层分割内核的桥梁，咱们也能够通过 NDK 拜访 Bionic。
应用规范库进行 IO 咱们称为缓冲 IO，咱们读文件的时候，常常遇到，读完一行才会让输入，在 Android 外部也做了相似的解决。
间接是针对内核的 。
应用 Binder 跨过程传递数据的时候，须要将数据从用户空间传递到内核空间，非间接 IO 也这样，内核空间会多做一层页缓存，如果做间接 IO，应用程序会间接调用文件系统。
缓冲和非间接 IO 就像 IO 调度的一级和二级缓存，为什么要做这么多缓存呢？因为操作磁盘自身就是耗费资源的，不加缓存频繁 IO 不仅会消耗资源也会耗时。
1.2 阻塞和异步
同步和异步我想大家都理解什么意思。
阻塞 IO 指的是当用户执行读写的时候，线程会始终阻塞， 数据筹备和将数据拷贝到用户过程都是阻塞的 ：
Java 中的 NIO 是非阻塞 IO，当用户发动读写的时候，线程不会阻塞，之后，用户能够通过轮询或者承受告诉的形式，获取以后 IO 调度的后果：
即便是非阻塞 IO，对于读数据来说，也只有筹备数据的过程是异步， 将数据从内核拷贝到用户过程这个过程还是同步的。所以非阻塞 IO 不能算是真正意义上的异步 IO。
真正的异步 IO 应该是这样的：
筹备数据和将数据拷贝从内核到用户过程都应该是异步的，当收到告诉的的时候，咱们曾经能够在利用过程应用数据了。
2. IO 流程
作为应用层开发，大家做 IO 的场景并不多，最多也就是应用 BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 读写文件，至于 NIO，那就更少见了。
咱们理解一下阻塞 IO 的读调用流程。
二、sysCall 零碎调用
应用层调完了，上面会间接进入内核吗？
除去间接 IO，大部分都不会！用户空间和内核之间隔着一个零碎调用（sysCall），它的作用如下：
- 给用户空间提供形象的拜访硬件的接口 ：比方申请系统资源、操作设施读写等
- 保证系统的平安和稳固 ：内核能够对用户过程的拜访做出一些裁决，避免用户过程做出一些危害零碎的事件
毕竟内核很简单，形象出通用的接口，能够避免用户空间的过程僭越，获取到它不该获取的内容。
为了可能让利用过程分割上内核，它会通过一个软中断，告诉内核，我想调用内核中 sysCall 中的读接口。
对于读 IO，零碎调用中有一个 sys_read 办法与之对应，内核收到告诉执行该办法的时候，就会执行虚构文件系统的 read 办法。
三、虚构文件系统
文件系统切实是太多了，比方我手机用户空间的文件系统是 f2fs，零碎空间的文件系统是 ext4。对于应用程序来说，它就想调用个读办法，不想管你手机的底层文件系统是什么！
虚构文件系统就是来干这活的，它能够屏蔽具体的文件系统，定义了一组所有文件系统都反对的数据结构和标准接口。这样，应用层的程序员只需理解 VFS 提供的对立接口就行。
虚构文件系统常被称为 VFS（Virtual File System），下称 VFS。
1. VFS 构造
VFS 采纳的是面向对象的设计思路，它经常有下列的对象（C 语言中的构造体）形成：
这些对象形成了根本的虚构文件系统。
不过，光有这些对象可不行，VFS 还得晓得如何操作它们，所以，每个对象中还存在对应的操作对象：
super_operation对象：内核针对超级块所能调用的办法inode_operation对象：内核针对索引结点所能调用的办法dentry_operation对象：内核针对目录项所能操作的办法file_operation对象：内核针对过程中关上的文件所能操作的办法
大伙最相熟的应该是文件，这是咱们可能在过程中实实在在可能操作的，比方，在文件的 file_operation 中，就有咱们相熟的读、写、拷贝、关上、写入磁盘等办法。
不晓得大伙儿有没留神到，我特意标注了超级块和索引节点存在于内存和磁盘，而目录项和文件只存在于内存。
我的了解是对于磁盘，索引节点曾经足够记录文件信息，并不需要目录项再来记录层级关系；而对于内存来说，为了节俭内存，只会把须要用到的文件和目录项所用到的索引节点退出内存，文件系统只有被挂载的时候超级块才会被退出到内存中。
目录项、索引节点、文件和超级块结构图：
下面的结构图还有几点要留神一下：
- 目录项不等于目录这个概念，对于 /home/pic/a.jpg 来说，根目录 /、home 目录、pic 目录 和 a.jpg 都属于目录项
- 每个目录项都会持有索引节点的指针
- 索引节点蕴含内核在操作文件须要的全副信息，比方存在磁盘的地位等
- 过程中关上的文件持有目录项
2. VFS 中的缓存
联合本文中的第一张图，咱们会发现，VFS 有目录项缓存、索引节点缓存和页缓存，目录项和索引节点咱们都晓得什么意思，那页缓存呢？
页缓存是由 RAM 中的物理页组成的，对应着 ROM 上的物理地址。咱们都晓得，当初支流 Android 的 RAM 访问速度高达是 8.5 GB/S，而 ROM 的访问速度最高只有 6400 MB/S，所以拜访 RAM 的速度要远远快于 ROM，页缓存的目标也在于此。
当发动一个读操作的时候，内核会首先查看须要的数据是否在页缓存，如果在，间接从内存中读取，咱们称之为缓存命中；如果不在，那么内核在读取数据的时候，将读到的数据放入页缓存，须要留神的是，页缓存能够存入全副文件内容，也能够仅仅存几页。
3. IO 流程
通过零碎调用，读 IO 进入了 VFS。
就去找文件对象（VFS 中的），通过文件对象的 file_operation 对象，调用 read 办法，传入读取的数据量。不过 read 办法也是找到文件对象对应的目录项，目录项又找到索引节点，毕竟，只有索引节点晓得文件存在哪儿？
通过索引节点，内核就能惟一确定一个文件，而后在页缓存中寻找是否有本人须要的数据，找到就间接返回。
没找到就去进行下一步的操作。
四、文件系统
VFS 定义了文件系统的对立接口，具体的实现了交给了文件系统，超级块外面的数据如何组织、目录和索引构造如何设计、怎么调配和清理数据，这都是设计一个文件系统必须思考的！
说白了，文件系统就是用来治理磁盘里的长久化的数据的，对于 Android 来说，最常见的就是 ext4 和 f2fs。
1. 文件系统构造
因为文件系统是 VFS 的具体实现，所以同样有目录项、索引节点和超级块，下面的图片用来形容文件系统也同样适宜。
拿早起 ext2 的系统结构来讲：
每一个 ext2 都由大量的块组组成，每个块组的构造就跟下面的目录项和索引节点中的图一样。能够看到，在 inode 列表，存在着很多数据块，块是内存中最小的寻址单元，见于磁盘中的章节，个别能够设置带大小为 2kb – 64kb 之间。
2. 文件系统的不同点
尽管大部分的文件系统也都有超级块、索引节点和数据块，然而各个文件系统的实现却大不相同，这就导致了他们的侧重点也不一样。拿 ext4 和 f2fs 来讲：
- ext4 间断读取大文件更强，占用的空间更小
- f2fs 随机 IO 更快
说白了，也就是它们对于闲暇空间调配和已有的数据管理形式不统一，不同的数据结构和算法导致了不同的后果。
3. IO 流程
这里的 IO 流程其实跟 VFS 差不多，毕竟文件系统是 VFS 的具体实现。
五、块 IO 层
Linux 上面有两大根本设施类型：
- 块设施： 可能随机拜访固定大小数据片的硬件设施 ，硬盘和闪存（上面介绍）就是常见的块设施
- 字符设施： 字符设施只能依照字符流的形式被有序拜访 ，比方键盘和串口
这两个设施的区别就是是否可能随机拜访。拿属于字符设施的键盘来说，当咱们输出 Hello World 的时候，零碎必定不能够先失去失去 eholl wrodl，这样的话，输入就乱套了。而对于闪存来说，经常是看完这个这些数据库组成的图片，又要读距离很远的数组块的小说内容，所以读取的块在磁盘上必定不是间断的。
因为内核治理块设施切实太简单了，所以就呈现了治理块设施的子系统，就是下面说的文件系统。
1. 块设施构造
块设施中罕用的数据管理单位：
- 扇区：设施的最小寻址单元
- 块：文件系统的最小寻址单元，数倍大于扇区
- 片段：由数百至数千的块组成
因为 Linux 中经常用的硬盘，这里我有点疑难，这里的治理单位是否和上面闪存治理单位统一？
2. IO 过程
如果以后有 IO 操作，内核会建设一个 bio 构造体的根本容器，它是由多个片段组成，每一个片段都是一小块间断的内存缓冲区。
之后，内核会将这些 IO 申请保留在一个 request_queue 的申请队列中。
如果依照 IO 申请产生的程序发向块设施，性能必定难以承受，所以内核会依照磁盘地址对进入队列之前提交的 IO 申请做合并与排序的预操作。
六、磁盘
挪动设施中罕用的长久化存储是 Nand 闪存，UFS 又是 Nand 闪存中的佼佼者，其特点是速度更快、体积小和更省电。
当今 Android 旗舰机基本上标配 UFS 3.1，它们只是一块儿很小的芯片：
闪存是一种非易失性存储器，即便掉电了，数据也不会丢。闪存的存储单元从小到大有：
- Cell（单元）：是闪存存储的最小单位，依据存储的数量能够分为 SLC（1bit/Cell）、MLC（2bit/Cell）、TLC（3bit/Cell）和 QLC（4bit/Cell）
- Page（页）：由大量的 Cell 形成，每个 Page 的大小通常是 16 kb，它是闪存可能读取的和写入的最小单位
- Block（块）：每个块由数百至数千的 Page 组成
- Plane（面）：Plane 由数百至数千的 Black 组成
- Die（逻辑单元）：每个 Die 由一个至多个 Plane，是闪存中能够执行命令或者回报状态的最小单元
对于每个 Cell 来说，是由一品种 NMOS 的双层浮栅 MOS 管组成，大略是这样：
对于 SLC（存储 1bit）来说：
- 如果须要 1，在 P 极施加一个电压，将电子吸出贮存单元
- 如果须要 0，须要在顶层的管制极施加一个电压，让电子吸回存储单元
这就形成了数据存储的最小单位，0 和 1！
总结
整个流程简要的用一张图来示意：
因为我对内核也不是特地熟，文中不免有不对的中央，欢送在评论区斧正，如果感觉本文不错，「点赞」是最好的必定！
文章参考：
《一口气搞懂「文件系统」，就靠这 25 张图了》
《Android 开发高手课》
本文由博客一文多发平台 OpenWrite 公布！