面试:IO读写你只会背流程？乔哈里视窗模型帮你理清思路，从青铜变王者
面试:IO读写你只会背流程？乔哈里视窗模型帮你理清思路，从青铜变王者
🚀 面试:IO读写你只会背流程？乔哈里视窗模型帮你理清思路，从青铜变王者
乔哈里视窗（Johari Window）模型
📋 本文核心价值
•
认知升级：从"背流程"到"懂原理"
•
面试突破：用乔哈里视窗模型理清思路
•
技术深度：Linux IO栈的底层机制
•
实用工具：认知模型在技术学习中的应用
🎯 第一部分：开放区（你知道，别人也知道）
💬 面试现场对话
面试官：
我看到你简历上写着 对 Linux 操作系统 有一定了解。
那你能不能谈一谈： 本地文件的 write 过程，
你是怎么理解的？
小青的回答：
如下图，IO栈的基本流程是：
应用程序
│
▼
系统调用 (read/write)
│
▼
虚拟文件系统 (VFS)
│
▼
文件系统层 (ext4)
│
▼
通用块层 (Block Layer)
│
▼
物理设备驱动层 (SATA/NVMe驱动)
│
▼
硬件 (HDD/SSD)
小青继续解释：
•
应用程序发起read/write
•
经过系统调用上下文切换到内核
•
VFS给出统一接口，屏蔽不同文件系统差异
•
文件系统层（ext4）**负责元数据、块映射和分配
•
通用块层做I/O调度、合并请求，封装成bio
•
物理驱动把bio翻译成硬件指令（SATA/NVMe）
•
最后到**硬件（HDD/SSD）**完成读写
😤 面试官的真实想法
（轻咳一声）……嗯，行了，到你这里，我直接说我的看法。
你刚才提到的那些 OS 知识，听起来就像是刚接触、刚知道个大概。 这种回答，在面试里是万万不能的。
想一想： 十年前，你是这样想的。 十年后，你还是这样想。 说实话，我真的没看到什么“进步”。
你自己心里也清楚， 学习主要靠记忆，靠翻文档。 而你也明白， 这种方法，在我这里，绝对过不了关。
是不是常常这样： 看源码，看技术文章， 讲函数 A 调用 B，再到函数 C。 看完之后，和没看差不多， 根本看不到细节就 具体函数用法，有什么功能，特性。 为这么这么做
所以问题来了——
最重要的一点：如何保证数据的一致性
🤔 问题来了
所以问题来了——最重要的一点：如何保证数据的一致性？
🔍 第二部分：盲区（你不知道，别人知道）
📚 最少知识准备
1️⃣ 硬件层（磁盘扇区）
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最小物理写入单位：磁盘扇区（Sector），传统为512B，现代设备常见4KB
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原子性保证：磁盘保证单个扇区写入是原子的，要么完全写入，要么失败
2️⃣ 文件系统块层（Block）
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ext4默认块大小：通常4KB（可选1K/2K/4K/8K等）
•
块是文件系统管理的最小分配单位
•
块对齐：文件系统会把数据按块对齐，确保写入时对应底层扇区边界，从而利用扇区原子性
3️⃣ I/O层（页缓存/libaio/direct I/O）
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页大小：Linux内核页面通常4KB
•
AIO/libaio提交I/O时，通常以页为单位提交给块设备
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Direct I/O：跳过页缓存，直接按块或扇区提交，必须满足块/扇区对齐（alignment）
•
对齐要求：
•
起始地址和长度通常需要是块大小或扇区大小的整数倍
•
libaio提交时，如果不对齐，会返回EINVAL错误
🎯 一致性如何保证
核心问题：
1
文件系统有多少个模块，它们功能是什么？
•
也就是它的基本数据结构，比如inode、dentry
2
写大文件时突然断电怎么办？
•
分布式集群里，节点下线是常态，系统怎么保证恢复？
•
数据会丢吗？
3
一个文件写入失败，到底哪些写入成功，哪些写入失败？
•
最小写入单元是什么？
•
要么完全失败，要么完全成功，会不会出现中间状态？
解决方案对比：
多节点多副本
Raft一致性协议：
•
Raft是一种一致性协议，能提供强一致的数据复制保证
•
TiDB最底层用Raft来同步数据
•
每次写入都要写入多数副本，才能对外返回成功
•
这个多副本，不关心具体IO过程，顶多flush一下
单节点多副本
事务回滚机制：
事务
•
事务来保证一致性，失败就回滚
原子写入
🔍 为什么磁盘没有回滚机制？
1. 硬件设计限制
•
磁盘是物理设备，其操作由硬件控制。一旦数据被写入磁盘，硬件并不具备识别和撤销特定写入操作的能力
•
这与数据库系统中的事务回滚机制不同，后者是由软件控制的
2. 性能考虑
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引入回滚机制需要额外的硬件支持和复杂的控制逻辑
•
这可能会影响磁盘的性能。为了保持高效的读写速度，磁盘通常不具备回滚功能
3. 防止中断
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在D状态下，进程不会响应信号，直到I/O操作完成
•
这是为了防止在关键的磁盘写入操作期间被中断，从而保证数据的完整性
🔍 为什么Redis不支持传统回滚？
•
Redis的事务和传统数据库不一样
•
最大区别是，Redis不支持回滚（rollback）
•
在Redis里，事务靠MULTI、EXEC和DISCARD管理
•
这些命令没有传统回滚功能
•
有个特点：队列阶段出错会丢弃事务，但执行阶段出错，已执行的命令不会回滚
Redis设计者为什么不加回滚？
•
性能原因：回滚需要额外资源和复杂逻辑，会拖慢Redis
•
错误预防：Redis里的错误大多是程序逻辑问题。回滚也解决不了数据逻辑错误
MULTI
SET key1 value1
SETTY key2 value2 // 这是一个错误命令，Redis会返回错误
SET key3 value3
EXEC // 执行后，Redis会返回错误
// key1, key2, key3都不会被设置
🆕 Linux 6.13新特性：ext4原子写入
ext4自Linux 6.13版本起，支持文件系统块级别的原子写入
历史发展：
•
早在Linux 6.11中，启用了NVMe和SCSI支持的块设备就支持原子写入
•
在Linux 6.13中，原子写入支持正在扩展到文件系统，EXT4和XFS最初受益
支持条件：
•
硬件支持：首先，底层存储设备必须支持原子写入操作
•
文件系统要求：ext4文件系统需要启用扩展（extents）特性，并且支持直接I/O（Direct I/O）
🚫 第三部分：放弃区（我不知道，别人也不知道）
💭 认知陷阱
•
自己不明白，不要和别人沟通交流，别人根本不愿意听
•
直接放弃最高效沟通方式
📊 乔哈里视窗模型总结
认知象限 | 自己知道 | 自己不知道 |
|---|---|---|
别人知道 | 开放区 (Open Area)• I/O栈基本流程（应用→系统调用→VFS→文件系统→块层→驱动→硬件）• 常见一致性方案（多副本、事务回滚） | 盲区 (Blind Spot)• 磁盘扇区写入的原子性• 对齐要求的重要性• Linux 6.13新特性 |
别人不知道 | 隐藏区 (Hidden Area)• 无 | 未知区 (Unknown Area)• Linux内核源码实现细节• 未来技术发展趋势 |
🎯 核心要点总结
💡 数据一致性保障方式
银行、电商、底层系统——谁都怕数据乱！
常见的保障方式：
•
✅ 多副本：一个坏了还有备份
•
🔄 回滚：出错了就退回上一步
但文件系统遇到难题：回滚太麻烦！
数据已经写入磁盘，擦除成本太高，索性——拒绝回滚！
🔄 改用原子更新：
•
操作要么完全成功
•
要么像从未发生
⚠️ 为保证绝对写入，服务可能陷入阻塞状态
•
写入完成前，其他操作需等待
•
确保数据落盘，避免并发冲突
🔍 最小原子单位是：磁盘扇区（512B/4KB）
•
写扇区：绝不会"只写一半"
•
基于这个最小单元，搭建整个一致性系统
🚀 面试突破要点
1
不要只背流程：要理解每个层次的作用和原理
2
关注一致性：这是面试官最关心的问题
3
了解新技术：Linux 6.13的原子写入特性
4
理解权衡：为什么有些系统选择不回滚
5
掌握细节：对齐要求、扇区大小、原子性保证
📚 参考资源
参考文章
•
Are disk sector writes atomic?
•
What is RAID 10?
•
/ext4/atomic_writes.htm
•
Linux 6.13 To Expand Atomic Write Support To EXT4 & XFS
参考书籍
•
《Linux内核设计与实现》
•
《深入理解计算机系统》
•
《操作系统概念》
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