面试题：文件系统预读如何减少I/O等待时间

Question

请简要阐述文件系统预读机制的工作原理，以及它是怎样有效减少I/O等待时间的。

Answer 1

文件系统预读机制工作原理

1. 局部性原理应用：文件系统预读机制基于程序访问的局部性原理，即一段时间内程序倾向于访问临近的数据。当应用程序请求读取文件的某一部分数据时，文件系统会预测接下来可能会请求的数据块。
2. 预读策略：通常，当第一次读取文件的某个数据块时，文件系统不仅会读取该请求的数据块，还会额外读取相邻的若干数据块到内存缓冲区中。例如，以固定的预读块数（如4KB或8KB大小的数据块）为单位进行预读。预读的数据块会存储在系统缓存（如Linux中的页缓存Page Cache）中。
3. 动态调整：有些文件系统的预读机制还能根据应用程序的访问模式动态调整预读的长度。如果发现应用程序按顺序连续访问文件，预读的长度可能会逐渐增加；若访问模式变得随机，则减少预读长度。

减少I/O等待时间的方式

1. 提前准备数据：通过预读，将可能需要的数据提前加载到内存中。当应用程序后续请求这些数据时，数据已经在内存缓存中，直接从内存读取，无需再进行磁盘I/O操作。相比磁盘I/O，内存访问速度快得多，大大减少了等待数据从磁盘传输到内存的时间。
2. 合并I/O操作：预读时将多个相邻数据块合并为一次较大的I/O操作。相比多次小的I/O操作，一次大的I/O操作在磁盘寻道和数据传输上更高效。因为磁盘寻道时间通常较长，多次小I/O意味着多次寻道，而合并I/O减少了寻道次数，提高了I/O效率，从而减少I/O等待时间。