IO排程政策之我見

IO排程政策對上面的塊裝置層和下面的磁盤驅動起作用，它實質上切斷了資料從應用程式到磁盤的路徑，進而也就解除了塊裝置和底層驅動程式之間的耦合，這樣的話就可以比對上下兩層之間的不和諧，試想如果磁盤速度很慢，那麼就可以在IO排程政策中加入可以避免過多尋道的操作，比如AS預測排程器，比如合并不同的請求，但是對于Flash-DOM之類的可以随機存儲的存儲器就沒有必要采用複雜的排程算法了。對于linux的實作，IO排程子產品對上層實際上就是一個入隊操作，根據系統管理者的配置或者自适應決斷結果将一系列IO請求配置設定到一系列隊列中，入隊的政策主要在于怎麼排隊，比如一共有哪些隊列，一個請求應該排入哪個隊列，之後的事情就不用管了，而出隊操作是IO排程子產品下層的接口，它主要負責從哪個隊列選擇下一個要服務的請求，它不管塊裝置層是怎麼将請求排入隊列的，然而到此為止了嗎？為了使得一些政策起作用，同時也為了使得“跨層操作”最小化，所謂的隊列中必須積攢了一定數量的IO請求的時候才能激發排程，也就是說塊裝置層不斷的将請求加入到政策化的隊列中，而驅動程式并不是馬上就對隊列中的請求進行服務，而是等到隊列中的請求積攢到一定數量的時候再開始服務過程。我們知道，計算機中，凡是跨層操作，開銷幾乎一定大于層内操作，這是因為分層是為了解耦合，是為了機制和政策分離，層與層之間抽象出了接口，而接口需要確定極大的相容性，是以為了照顧接口的相容性和其本身的安全性穩定性以及正交性，也就必然需要将問題一般化，是以就需要一個環境的切換，是以性能的犧牲也是必然的，我們常常聽說盡量少進行系統調用也就是這個道理，對應到IO排程層也是這個道理，是以我們千萬不要要求磁盤驅動程式不斷的取得請求不斷的服務，讓它休息一會也許會取得更好的性能。linux的實作中，用了一個十分形象的方式實作了這個，plug和unplug，這兩個詞彙從其本意上就能讓人了解linux的實作方式，plug是活塞，unplug是拔下活塞的意思，起初，在隊列的開頭賽上一個活塞(plug)，待到隊列中的請求達到一定數量後者塞上活塞已經有一段時間以後，那麼拔下活塞(unplug，每個磁盤的請求隊列都有一個unplug回調函數)，這麼解釋就什麼都清楚了。

IO排程有很多政策，起初就是linus電梯，這個算法很直覺同時也必然很簡單，2.6核心之後，添進來很多算法，我總結了一下基本就是兩點，其中cfq是按照網絡負載均衡算法改造的，而其他的算法都是對linus電梯的改進，deadline算法避免了饑餓，避免了磁盤中臨近的區域大量的請求被瞬間送出，進而造成早期送出的一個稍微遠一些的請求饑餓，因為deadline算法中每一個請求都有一個饑餓時間限制值，一個請求同時要插入到兩個隊列，其中一個隊列是linus電梯裡面的隊列，另一個是FIFO的按照到達時間排序的隊列，這個FIFO隊列也按照read和write進行了區分，read隊列的饑餓時間限制要更短一些，因為應用程式對于讀請求一般都是同步意義的，并且對于磁盤檔案來講如果順序讀的話，前面的讀沒有完成後面的讀更是無法進行，而寫操作就不是這樣的，應用程式寫檔案一般都是異步意義上的，更複雜的，如果很多程序都在寫一個檔案的一個區域，那麼隻要最後一個寫操作完成就可以了，前面的幾個都可以直接抛棄，再者，寫入緩存還是寫入磁盤，這都不是應用程式所關心的，是以寫操作的逾時時間要大于讀操作，deadline在linus電梯的基礎上避免了饑餓，那麼引入了另一個問題，試想如果一系列寫操作正在進行，這些寫操作都是經過linus電梯算法合并和排序過的，這時突然有個讀請求饑餓逾時到時間了，那麼不可避免的，磁頭要移動到讀請求的位置，這樣顯然降低了磁盤的吞吐量，然而這個突然的移動還不得不做，讀請求完成以後，按照deadline的邏輯，磁盤的磁頭又傳回剛才被讀請求打斷的寫請求的位置，然後...，這一次又一次的移動，不斷降低着磁盤的吞吐量，并且磁頭頻繁移動，損壞磁盤，AS算法出現了，在不得不服務逾時讀請求後，不是傳回寫請求，而是等待一段時間，因為排程政策認為，在等待的這一段時間内，可能會有另一個讀請求，将讀請求積攢在一起總比來來去去要好，AS排程政策的要點在于到底是否要等待以及等待多久，這些都是按照對程序的統計完成的，算法很複雜，然而思想卻很簡單，一個不得不做的讀請求完成以後，IO排程器在一段時間内等待“相鄰”讀請求的到來，随着預測得到的等待時間的增長，“相鄰”的概念範圍越來越寬，并且也能加進來一些寫請求，最終如果這個相鄰的概念已經擴充到了整個磁盤，那麼AS算法也就退化成了deadline算法。實質上，AS算法就是擺脫了deadline算法的弊端，它的弊端就是磁頭可能來回移動進而降低了吞吐量，而deadline算法是擺脫了linus電梯的弊端，它的弊端就是會引起饑餓，總而言之，吞吐量和磁頭尋道緊密相連，它和饑餓是一對冤家，需要權衡！

 本文轉自 dog250 51CTO部落格，原文連結:http://blog.51cto.com/dog250/1274077