Важно обратить внимание, что те несколько миллисекунд, в течение которых планировщик ожидает на новые запросы (т.е. время, которое планировщик тратит в предвещании нового запроса), полностью окупаются, даже если это позволяет минимизировать всего лишь небольшой процент операций поиска при выполнении запросов чтения в случае большого количества других запросов. Если во время ожидания приходит запрос к соседней области диска, то это позволяет избежать двух операций поиска. Чем больше за это время приходит запросов к соседним областям диска, тем большего количества операций поиска можно избежать.
Конечно, если в течение периода ожидания не было никакой активности, то прогнозирующий планировщик зря потратит эти несколько миллисекунд.
Ключевой момент для получения максимальной производительности от прогнозирующего планировщика — правильно предсказать действия приложений и файловых систем. Это выполняется на основе эвристических алгоритмов и сбора статики. Прогнозирующий планировщик ведет статистику операций блочного ввода-вывода по каждому процессу в надежде предсказать действия приложений. При достаточно высоком проценте точных предсказаний прогнозирующий планировщик способен значительно снизить затраты на поиск при выполнении операций чтения и в то же время уделить внимание тем запросам, которые критичны для производительности системы. Это позволяет прогнозирующему планировщику минимизировать задержки чтения и в то же время уменьшить количество и продолжительность операций поиска, что в свою очередь проявляется в уменьшении времени реакции системы и в увеличении ее производительности.
Код прогнозирующего планировщика находится в файле drivers/block/as-iosched.c дерева исходных кодов ядра.
Этот планировщик используется в ядре Linux по умолчанию и хорошо работает для большинства типов нагрузки на систему. Он идеальный для серверов, однако работает очень плохо в случае определенных типов загрузки, которые встречаются не очень часто, как, например, в случае баз данных, рассчитанных на большое количество операций поиска но диску.
Планировщик ввода-вывода с полностью равноправными очередями
Планировщик ввода-вывода с полностью равноправными очередями (Complete Fair Queuing, CFQ) был разработан для определенного типа нагрузок на систему, по на практике он позволяет получить хорошую производительность для широкого диапазона типов нагрузки. Он фундаментальным образом отличается от всех ранее рассмотренных планировщиков ввода-вывода.
Планировщик CFQ распределяет все приходящие запросы ввода-вывода по определенным очередям на основании того, какой процесс прислал этот запрос. Например, запросы от процесса foo идут в очередь foo, запросы от процесса bar — в очередь bar. В пределах каждой очереди запросы объединяются со смежными и сортируются. Таким образом очереди поддерживаются в отсортированном состоянии, так же как и в случае других планировщиков ввода-вывода. Отличие планировщика CFQ состоит в том, что он поддерживает отдельную очередь для каждого процесса, который выполняет операции ввода-вывода.
После этого планировщик CFQ выполняет запросы из разных очередей по круговому алгоритму, выполняя конфигурируемое количество запросов (по умолчанию 4) из каждой очереди, перед тем как перейти к следующей. Это позволяет получить равномерное распределение пропускной способности диска для каждого процесса в системе. Предполагаемое использование такого планировщика — мультимедийные приложения, для которых он позволяет гарантировать, что, например, аудио-проигрыватель всегда будет успевать вовремя заполнять аудиобуферы с диска. Тем не менее планировщик CFQ на практике хорошо работает для многих сценариев загруженности системы.
Код CFQ планировщика находится в файле drivers/block/cfq-iosched.с. Этот планировщик рекомендуется для офисных компьютеров, хотя хорошо работает практически для всех типов нагрузок, за исключением, может быть, уж очень экстремальных типов загруженности.
Планировщик ввода-вывода noop
Четвертый, и последний, тип планировщика ввода-вывода — это планировщик noop (no operation, с отсутствием операций). Он назван так потому, что практически ничего не делает. Этот планировщик не выполняет никакой сортировки или других операций для предотвращения поиска по устройству. Ему нет необходимости выполнять ничего, включая алгоритмы, которые минимизируют задержки и были рассмотрены для предыдущих планировщиков.
Планировщик ввода-вывода noop выполняет только объединение приходящих запросов со смежными, которые находятся в очереди. Кроме этого, больше никаких функций у данного планировщика нет. Он просто обслуживает очередь запросов, которые передаются драйверу блочного устройства, в режиме FIFO.
Планировщик noop не является полностью бесполезным. В том, что он ничего не делает, есть большой смысл. Он рассчитан на блочные устройства, которые позволяют выполнять истинно произвольный доступ, такие как платы флеш-памяти. Если для блочного устройства нет накладных затрат, связанных с поиском по устройству, то нет и необходимости выполнять сортировку и вставку вновь приходящих запросов, и планировщик noop — идеальный вариант.
Код планировщика noop находится в файле drivers/block/noop-iosched.с. Он предназначен только для устройств с произвольным доступом.
Выбор планировщика ввода-вывода
В ядрах серии 2.6 есть четыре планировщика ввода-вывода. Каждый из этих планировщиков может быть активизирован. По умолчанию все блочные устройства используют прогнозирующий планировщик ввода-вывода. Планировщик можно изменить, указав параметр ядра elevator=<плaниpoвщик> в командной строке при загрузке системы, где <планировщик> — это один из поддерживаемых типов планировщика, которые показаны в табл. 13.2.
Таблица 13.2. Возможные значения параметра elevator
| Значение | Тип планировщика |
|---|---|
as |
Прогнозирующий |
cfq |
С полностью равноправными очередями |
deadline |
С лимитом по времени |
noop |
С отсутствием операций (noop) |
Например, указание параметра elevator=cfq в командной строке ядра при загрузке системы означает, что для всех блочных устройств будет использоваться планировщик с полностью равноправными очередями.
Резюме
В этой главе были рассмотрены основы работы устройств блочного ввода-вывода, а также структуры данных, используемые для работы уровня ввода-вывода блоками: структура bio, которая представляет выполняемую операцию ввода-вывода; структура buffer_head, которая представляет отображение блоков на страницы памяти; структура request, которая представляет собой отдельный запрос ввода-вывода. После рассмотрения запросов ввода-вывода был описан их короткий, но важный путь, кульминацией которого является прохождение через планировщик ввода-вывода. Были рассмотрены дилеммы, возникающие при планировании операций ввода-вывода, и четыре типа планировщика, которые на данный момент существуют в ядре Linux, а также планировщик ввода вывода из ядра 2.4 — лифтовой алгоритм Линуса.