I/O緩存

局部性原理
局部性原理（Principle of Locality）指在程序執行過程中，傾向于訪問某些局部特定的數據或指令，而不是隨機地訪問整個內存空間。這是緩存技術得以有效的根本原因。
1）時間局部性（Temporal Locality）：如果一個數據項被訪問，那么在不久的將來它很可能被再次訪問（如循環中的變量、常用函數）。
2）空間局部性（Spatial Locality）：如果一個數據項被訪問，那么物理地址鄰近它的數據項也很可能在不久的將來被訪問（如順序執行的指令、數組元素的遍歷）。
局部性原理，很好平衡了存儲介質的存取速率和成本的問題。以計算機存儲層次為例，寄存器緩存高速緩存的數據，高速緩存 L1~L3層視具體實現彼此緩存或直接緩存內存的數據，而內存往往緩存來自本地硬盤的數據。

Page Cache

操作系統內核為了提升磁盤I/O性能，利用主存中的一部分空間作為磁盤數據的緩存，這就是Page Cache（在Linux中如此稱呼，也稱Buffer Cache）。它位于應用程序的read/write系統調用與底層塊設備驅動之間，利用局部性原理工作。
1）當一個數據頁被從硬盤讀取到內存時，它被存儲在Page Cache中。如果這個數據頁在近期內被再次訪問（時間局部性），那么可以直接從Page Cache中讀取，而無需再次訪問硬盤。
2）當一個數據頁被讀取時，操作系統通常會預讀取一些附近的數據頁（空間局部性），并將它們也存儲在Page Cache中，以便后續的訪問。
Page Cache的大小是根據當前系統的可用內存和工作負載動態調整的，此外還會通過頁面置換算法如 LRU （Least Recently Used）定期淘汰舊的數據頁。Page Cache可以大大減少硬盤I/O，從而提高系統的性能。
Page Cache支持寫回（Write-back）和寫穿（Write-through）兩種策略：
1）在寫回策略中，當程序寫入數據時，數據首先被寫入Page Cache，然后在適當的時機被寫入硬盤。
2）在寫穿策略中，數據同時被寫入Page Cache和硬盤。
Linux下默認使用寫回策略，即文件操作的寫只寫到Page Cache就返回。Page Cache中被修改的內存頁稱之為臟頁（Dirty Page），臟頁在特定的時候被一個叫做pdflush（Page Dirty Flush）的內核線程寫入硬盤，寫入的時機和條件如下：
1）當空閑內存低于一個特定的閾值時。
2）當臟頁在內存中駐留時間超過一個特定的閾值時。
3）用戶進程調用sync()、fsync(fd)、fdatasync(fd)系統調用時。

順序I/O

順序I/O（Sequential I/O）是一種數據訪問模式，其中數據按照連續的順序進行讀取或寫入。這與隨機I/O（Random I/O）形成對比，隨機I/O是指數據的訪問位置在存儲設備上是隨機分布的。
順序I/O的性能之所以高，主要是因為它能夠最大化利用存儲設備的局部性原理，并且減少了尋道時間和旋轉延遲。
1）局部性原理：在順序I/O中，數據是連續讀取或寫入的，Page Cache可以將文件的連續數據塊緩存在內存中，以提供快速的連續讀取。此外Page Cache可以將內存中緩存的連續數據，比如按頁大小批次刷新到硬盤。這樣可以減少頻繁的硬盤寫入操作。
2）減少機械硬盤的尋道時間和旋轉延遲：尋道操作指磁頭移動到硬盤的正確軌道的過程，旋轉延遲指磁頭等待硬盤旋轉到正確位置的時間。在順序I/O中，由于數據是連續存儲的，因此可以大大減少尋道時間和旋轉延遲，從而提高I/O性能。
3）雖然固態硬盤沒有機械部件，隨機讀性能遠好于機械硬盤，但順序I/O仍然更優。這是因為固態硬盤內部以頁（Page，如4KB/8KB/16KB）為單位讀寫，以塊（Block，通常包含多個頁，如128-512KB）為單位擦除。隨機寫小數據塊可能導致“讀-修改-擦除-寫”的復雜流程，引發寫放大。順序寫則能更高效地利用NAND閃存的特性，減少內部管理開銷。
內存訪問速度和硬盤訪問速度的對比結果。
1）硬盤訪問時間等于尋道時間+旋轉時間+傳輸時間的總和。
尋道時間：8ms~12ms；
旋轉時間：7200轉/min：半周4ms；
傳輸時間：50M/s，約0.3ms 。
2）性能量級對比：硬盤隨機I/O ? 硬盤順序I/O（尤其對HDD） ≈ 內存隨機I/O? 內存順序I/O（內存的順序訪問也能受益于處理器 Cache Line的填充等）。
3）機械硬盤和固態硬盤構成：
機械硬盤：核心是高速旋轉的磁盤盤片（表面覆蓋磁性材料）和在盤片上移動的磁頭臂。通過改變磁性材料的極性來存儲0和1。
固態硬盤：核心是NAND閃存顆粒（Flash Memory）陣列，由主控芯片負責管理數據的讀寫、磨損均衡、垃圾回收等。通過在浮柵中存儲電荷來表示0和1。

未完待續

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