标准IO与系统IO

C平台的标准IO(可跨系统)

Linux 系统IO （Linux系统平台才能使用）

Linux系统的IO（输入输出）特点主要包括以下几个方面

1）文件视为一切：在Linux中，几乎所有的设备和资源都被视为文件。这意味着无论是硬件设备（如磁盘、网络接口）还是系统资源（如进程、内存），它们都可以通过文件系统进行访问和操作。

2）异步IO支持：Linux提供了异步IO（AIO）的支持，允许应用程序发起IO操作后可以继续执行其他任务，而不必等待IO操作完成。这对于高性能的应用程序特别有用，可以充分利用系统资源。

3）多路复用：Linux提供了多路复用机制，如select()、poll()、epoll()等，允许应用程序监视多个文件描述符的IO状态，当其中任何一个文件描述符就绪（可读、可写等）时，通知应用程序进行处理。这种机制可以有效地减少不必要的轮询开销，提高IO效率。

4）缓存层：Linux通过页缓存（page cache）来优化文件IO的性能。它会将文件的内容缓存在内存中，当应用程序需要读取或写入文件时，可以直接在内存中操作，减少了与物理设备的直接交互次数，提高了IO的速度。

5）支持多种文件系统：Linux支持多种文件系统，如ext4、XFS、Btrfs等，每种文件系统都有不同的特点和适用场景。这种灵活性使得Linux能够在不同的应用场景中选择合适的文件系统以达到最佳的IO性能和可靠性。

总体来说，Linux系统在IO方面的设计强调了性能、可扩展性和灵活性，通过文件视为一切、异步IO、多路复用和缓存等机制，为应用程序提供了高效的IO操作支持。

Linux文件IO的缓存层具有以下几个特点

页缓存（Page Cache）：页缓存是Linux内核中的一部分，用于缓存从磁盘读取的数据。它使用了一种称为内存映射的技术，将文件数据映射到内存页面中。当应用程序进行文件读写操作时，首先会尝试从页缓存中获取数据，而不是直接访问磁盘，从而显著提高了IO操作的性能。

写回缓存（Write-back Cache）：当应用程序执行写操作时，数据首先被写入页缓存，然后在适当的时候（例如当缓存满了或经过一定时间后）再写回磁盘。这种机制称为写回（write-back）。写回策略可以减少磁盘写入次数，提高系统性能，但也意味着在断电或系统崩溃时有可能丢失未写入磁盘的数据。

读前缓存（Read-ahead Cache）：为了提升顺序读取性能，Linux缓存层会进行读前（read-ahead）操作。在检测到顺序读模式时，内核会预先将接下来的数据块加载到页缓存中，使得后续的读取操作更快，因为数据已经在内存中。

脏页管理（Dirty Page Management）：被修改但尚未写回磁盘的页面称为脏页（dirty pages）。Linux内核会跟踪这些脏页，并在合适的时机将其写回磁盘。通过脏页管理机制，内核可以优化写操作，减少对磁盘的频繁访问。

缓存一致性：Linux内核确保页缓存与磁盘数据的一致性。如果有多个进程同时访问相同的文件，内核会通过锁机制和缓存协调来保证数据一致性，避免数据冲突和不一致。

缓存淘汰策略：页缓存占用的内存不能无限增长，因此Linux内核使用缓存淘汰策略（如Least Recently Used, LRU）来管理缓存的大小。当内存资源紧张时，内核会根据使用情况选择较少使用的页面从缓存中移除，以释放内存空间。

Direct IO（直接IO）：虽然缓存层提供了很多优势，但在某些情况下，应用程序可能希望绕过缓存直接进行磁盘IO。Linux支持Direct IO（通过O_DIRECT标志），允许应用程序将数据直接读写到磁盘上，避免缓存层的干扰。这对于数据库等需要严格管理IO行为的应用非常有用。

内存映射文件（Memory-mapped Files）：内存映射文件是一种将文件内容映射到进程地址空间的机制。利用这种方式，进程可以像访问内存一样访问文件数据，依赖于页缓存来提高效率。