Linux I/O Scheduler

Linux I/O Scheduler 沐剑

访问磁盘的过程

访问磁盘的过程 Typical HDD figures• 寻道时间 HDD Average Server: 3ms Spindle rotational Common: 10ms [rpm] latency [ms] 4,200 7.14• 旋转延迟 5,400 5.56 平均半圈 7,200 4.17 10,000 3.00 15,000 2.00• 存取时间=平均寻道时间+平均旋转延迟• 数据读取时间 <1ms，忽略丌计• 影响IOPS的主要因素：寻道时间

SATA II SAS7200 RPM IOPS: ~90 15K RPM IOPS: ~180

SATA IIIntel X25-M IOPS: ~8600

访问磁盘的过程• 如何让磁盘读写更快减少寻道时间（避免磁头移动开销）让磁头旋转一圈读写更多相邻扇区的数据（顺序读写）

扇区• 操作系统视角逻辑块序列• 硬件视角物理扇区• 磁盘控制器映射「逻辑块」->实际物理扇区

读取一个扇区• CPU->磁盘控制器读某个逻辑块号• 磁盘控制器快速表搜索逻辑块号->（盘面，磁道，扇区）三元组，唯一标示物理扇区• 机械移动（寻道、旋转）• 拷贝主存

• I/O调度器的层级结构

I/O子系统

Block I/O Layer

I/O调度器• 目标减少寻道时间，让旋转一圈读取更多扇区• 任务 1、管理块设备请求队列 2、分配I/O资源给请求• 做法合并 + 排序

合并• 同一或多个相邻扇区的请求 —— 合并 ——> 一次I/O• 一次I/O对应一条寻址指令• 减少系统开销和寻址次数

排序• I/O请求按照扇区增长排列• Sorted Queue

• 几种I/O调度器

Linus电梯• 简单的合并+排序• 避免请求饥饿梱测到队列中有长期没有被处理的请求，那么就暂时中止插入• 缺点 I/O调度器并没有真正去处理饥饿请求，而是采取了一种间接的方式，所以很有可能饥饿的请求依旧饥饿，并没有解决实质问题

Deadline• 带超时的调度算法• 3个I/O Queue Read Queue(default timeout: 500ms) FIFO Write Queue(default timeout: 5000ms) FIFO Sorted Queue• 缺点当系统存在大量顺序请求时，可能导致请求无法被很好地排序，引发频繁寻道，比较适合随机访问多、时效性高的场景

Deadline• 权衡了全局吞吐量和系统延迟• 请求同时插入Read/Write Queue和Sorted Queue• writes_starved 避免写饥饿，当写饥饿次数达到writes_starved，写请求会被立即处理

Anticipatory (AS)• 2.6.18之前默认的I/O调度器基于预测算法主要是为了解决Deceptive idleness问题• 处理完一个请求，丌直接处理下一个请求，而是针对上一个请求的进程等待片刻，如果该进程发出一个不当前扇区相同或相邻扇区的请求，则优先处理• 默认等待6ms• 如果系统存在大量相邻扇区请求，性能会很好

CFQ• 2.6.18之后默认的I/O调度器每个提交I/O请求的进程都有一个自己单独的Sorted Queue• 在一个时间片中，CFQ调度器选择一个进程，处理其I/O队列• 丌是简单的轮询，基于红黑树选择进程（进程优先级）• 特点是保证各个进程的I/O请求能被均衡处理• 也有类似AS的等待机制• QUEUE_FLAG_NONROT

NOOP• 面向随机访问设备（例如SSD）• 我们只做合并，元芳，你怎么看？• 对于SSD 选择NOOP还是Deadline？ Deadline平衡读写比例

BenchmarkRed Hat Enterprise Linux 4 I/O schedulers vs. Red Hat Enterprise Linux 3 for database Oracle 10G oltp/dss (relative performance)

谢谢！

Linux I/O Scheduler

by Hesey on Oct 19, 2012

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