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Linux I/O Scheduler
沐剑

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 SAS
7200 RPM IOPS: ~90 15K RPM IOPS: ~180

SATA II
Intel 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
? 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

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

Benchmark

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

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