计算机系统中最严重的不平衡来自CPU与I/O之间持续扩大的性能差距。磁盘传输带宽的改善速度跟不上CPU计算能力的增长,数据访问延迟的改善更是严重地滞后。预取作为提升磁盘I/O性能的一种重要技术,可以有效地将来自应用程序的同步的小I/O转化为异步的大I/O,从而减少访问延迟,并促成I/O的并行化。对顺序文件访问的预读是现代操作系统的一项必备功能。Linux内核在虚拟文件系统层实现了一个通用的文件预读算法。随着Linux的广泛应用和在越来越多样化的负载环境中运行,它的预取算法遇到了很多微妙问题的挑战。例如:当内存压力较大的时候,预读页面会被过早地回收,出现预读抖动;对已经缓存在内存中的页面进行预读操作是毫无意义的;被中断的读请求及其重试读可能使顺序性检测算法陷于混乱。本文设计了一个模块化的按需预读框架。通过引入一对预取触发条件,使一些原本复杂的问题以统一和自然的方式得到了处理。在此基础上,对访问模式的检测和预读逻辑被简化,并可以独立地进行扩展。随着多核、多线程处理器成为新的硬件设计方向,软件的并行化也随之成为新的潮流,并带来更多的并发I/O。如何在交织的并发I/O中有效地识别和处理顺序流,已经成为预取算法所面临的一个现实挑战。我们在按需预读框架的基础上,设计并实现了被动和主动两种顺序流的检测和预读算法,引入页面状态作为对不可靠的预读状态变量的必要补充,采用更宽松的顺序性判决条件。它们可以有效地支持:淹没在随机读中的顺序访问;对单个文件实例的并发访问产生的交织访问模式;稀疏的顺序读;局部重排序的NFS顺序读;高密度的随机读区域;对大矩阵的列扫描,等等。被动算法在单线程的情况下不会造成额外的开销,而在多线程情况下的时空复杂度与并发度的大小无关。主动算法通过高效的检测逻辑,确保发现顺序流和随机访问的热点区域,自适应的预读大小可以避免预读抖动,因而往往可以获得更好的性能。实验表明本文算法相对传统预读有突出的优势:在发生预读抖动的情况下,网络输出流量可达到传统算法的3～4倍;在随机干扰之下的顺序读性能可提高29%;交织读的性能是传统算法的4～27倍,同时应用程序可见延迟改善了35倍;在NFS文件服务中,性能提高了1.8倍:在lighttpd文件服务中,磁盘占用率降低了26%,网络输出提高了17%;在随机文件加载实验中,主动检测算法可以获得3倍于传统预读的性能。本文所述的预读算法具有重大的应用价值,其中的按需预读基本框架和顺序流的被动预读算法已先后被Linux 2.6.23和2.6.24内核采用。