从持久存储读取时 CPU 内核是否忙？

Question

一般来说，当一个进程线程进行读取系统调用时，线程的执行被挂起并且读取本身发生（或计划发生）在操作系统内核中。读取完成后，内核会安排暂停的线程继续执行。这部分我明白了。

我的问题是，当内核从持久性存储（例如 HDD 或 SSD）读取时，是否有 CPU 内核忙于编排读取？

我要求帮助确定我的进程中的最佳线程数。例如，如果我有一个 4 核 CPU，并且我的进程中的一个线程在读取系统调用时阻塞，那么在等待读取完成时，还有多少其他线程可以并行运行？ 3? 4？在 3 和 4 之间有更微妙的东西吗？

Answer 1

HDD 存储的典型延迟约为 ... https://gist.github.com/jboner/2841832 每个程序员都应该知道的延迟数字 生的

Read 4K randomly from SSD*             150,000   ns      150 us          ~1GB/sec SSD
Read 1 MB sequentially from SSD*     1,000,000   ns    1,000 us    1 ms  ~1GB/sec SSD, 4X memory
Disk seek                           10,000,000   ns   10,000 us   10 ms  20x datacenter roundtrip
Read 1 MB sequentially from disk    20,000,000   ns   20,000 us   20 ms  80x memory, 20X SSD

• 对于 HDD 10 毫秒或 30000000 CPU 滴答声；
• 对于更快的 SSD：大约 1-0.5 毫秒或大约 1500000-3000000（在 3 GHz CPU - 3 个滴答/纳秒，3000 个/我们，300 万个/毫秒）。

因此，当文件读取未命中已缓存在内存中的文件数据并生成外部 I/O 读取时，CPU 可能不会忙于等待请求并允许其他线程运行。 CPU 将用于通过 VFS 子系统和 I/O 驱动程序生成 I/O 请求。并且完成的请求将（在典型情况下）产生中断，以通知驱动程序所需的数据已加载到内存中。

Answer 2

不，读取不会使 CPU 内核保持忙碌。

以下是对尝试从驱动器读取时发生的情况的（非常）简化的描述：

• 应用程序要求操作系统读取。
• 如果从文件中读取：文件系统检查其缓存。如果请求的数据在缓存中，则立即返回。如果不是，则文件系统要求存储驱动程序从驱动器中获取数据。请参阅下一步。
• 存储驱动程序向存储设备（例如硬盘驱动器）发送请求以获取数据。然后，驱动器会异步处理此请求。
• 操作系统使应用程序进入睡眠状态（更准确地说：等待读取的线程）。
• ...一段时间过去了...
• 存储设备已完成读取请求的数据。它引发了一个中断。
• 调用操作系统/驱动程序的中断处理程序，将数据复制到应用程序的内存中。
• 应用程序的阻塞线程已解除阻塞并计划执行。
• 应用程序的线程继续运行。

从这里可以看出，任何地方都没有忙碌的等待。当应用程序被阻塞等待读取时，CPU 可以用于其他任务（如果没有其他任务，则进入空闲状态）。

编辑：正如评论中提到的osgx，这有例外。网络和存储层，至少在 Linux 中，在某些情况下会使用忙轮询，此时阻塞比异步继续要快。