Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Код потока pdflush находится в файлах mm/page-writeback.c и fs/fs-writeback.c.

Режим ноутбука

Режим ноутбука — это специальная политика обратной записи страниц с целью оптимизации использования батареи и продления срока ее работы. Это делается путем минимизации активности жестких дисков, чтобы они оставались в остановленном состоянии по возможности долго. Конфигурировать этот режим можно с помощью файла /proc/sys/vm/laptop_mode. По умолчанию в этом файле записано значение 0 и режим ноутбука выключен. Запись значения 1 в этот файл позволяет включить режим ноутбука.

В режиме ноутбука существует всего одно изменение в выполнении обратной записи страниц. В дополнение к обратной записи измененных страниц; памяти, когда они становятся достаточно старыми, демон pdflush также выполняет и все остальные операции дискового ввода-вывода, записывая все дисковые буферы на диск. Таким образом демон pdflush пользуется тем преимуществом, что диск уже запущен, а также он гарантирует, что в ближайшем будущем диск снова запущен не будет.

Такое поведение имеет смысл, когда параметры dirty_expire_centisecs и dirty_writeback_centisecs установлены в большие значения, скажем 10 минут. При таких задержках обратной записи диск запускается не часто, а когда он все-таки запускается, то работа в режиме ноутбука гарантирует, что этот момент будет использован с максимальной эффективностью.

Во многих поставках ОС Linux режим ноутбука автоматически включается и выключается, при этом также могут изменяться и другие параметры демона pbflush, когда заряд батареи уменьшается. Такое поведение позволяет получать преимущества от режима ноутбука при работе от батареи и автоматически возвращаться к нормальному поведению, когда машина включается в электрическую сеть.

Демоны bdflush и kupdated

В ядрах серий до 2.6 работа потоков pdflush выполнялась двумя другими потоками ядра bdflush и kupdated.

Поток пространства ядра bdflush выполнял фоновую обратную запись измененных страниц, когда количество доступной памяти становилось достаточно малым. Также был определен ряд пороговых значений, аналогично тому как это делается для демона pdflush. Демон bdflush возвращался к выполнению с помощью функции wakeup_bdflush(), когда количество свободной памяти становилось меньше этих пороговых значений.

Между демонами bdflush и pdflush существует два главных отличия. Первое состоит в том, что демон bdflush был всего один, а количество потоков pdflush может меняться динамически. Об этом более подробно будет рассказано в следующем разделе. Второе отличие состоит в том, что демон bdflush работал с буферами, он записывал на диск измененные буферы. Демон pdflush работает со страницами, он записывает на диск целые измененные страницы памяти. Конечно, страницы памяти могут соответствовать буферам, но единицей ввода-вывода является целая страница памяти, а не один буфер. Это дает преимущество, поскольку работать со страницами памяти проще, чем с буферами, так как страница памяти — более общий и более часто используемый объект.

Так как демон bdflush выполнял обратную запись, только когда количество свободной памяти очень сильно уменьшалось или количество буферов было очень большим, то был введен поток ядра kupdated, который периодически выполнял обратную запись измененных страниц памяти. Он использовался для целей, аналогичных функции wb_kupdate() демона pdflush.

Потоки bdflush и kupdated и их функциональность сейчас заменены потоками pdflush.

Предотвращение перегруженности: для чего нужны несколько потоков

Один из главных недостатков решения на основе демона bdflush состоит в том, что демон bdflush имел всего один поток выполнения. Это приводило к возможности зависания демона при большом количестве операций обратной записи, когда один поток демона bdflush блокировался на очереди запросов ввода-вывода перегруженного устройства, в то время как очереди запросов других устройств могли быть в этот момент сравнительно свободными. Если система имеет несколько дисков и соответствующую процессорную мощность, то ядро должно иметь возможность загрузить работой все диски. К сожалению, даже при большом количестве данных, для которых необходима обратная запись, демон bdflush может оказаться загруженным работой с одной очередью и не сможет поддерживать все диски в нагруженном состоянии. Это происходит потому, что пропускная способность диском конечна и, к несчастью, очень низкая. Если только один поток выполняет обратную запись страниц, то он может проводить много времени в ожидании одного диска, так как пропускная способность диска ограничена. Для облегчения этой ситуации ядру необходима многопоточная обратная запись. В таком случае ни одна очередь запросов не может стать узким местом.

В ядрах серии 2.6 эта проблема решается путем введения нескольких потоков pdflush. Каждый поток самостоятельно выполняет обратную запись страниц памяти на диск, что позволяет различным потокам pdflush работать с разными очередями запросов устройств.

Количество потоков изменяется в процессе работы системы в соответствии с простым алгоритмом. Если все существующие потоки pdflush оказываются занятыми в течение одной секунды, то создается новый поток pdflush. Общее количество потоков не может превышать значения константы MAX_PDFLUSH_THREADS, которая по умолчанию равна 8. И наоборот, если поток pdflush находился в состоянии ожидания больше одной секунды, то он уничтожается. Минимальное количество потоков равно, по крайней мере, значению константы MIN_PDFLUSH_THREADS, что по умолчанию соответствует 2. Таким образом, количество потоков pdflush изменяется динамически в зависимости от количества страниц, для которых необходима обратная запись, и загруженности этих потоков. Если все потоки pdflush заняты обратной записью, то создается новый поток. Это гарантирует, что ни одна из очередей запросов устройств не будет перегружена, в то время как другие очереди устройств не так загружены и в них тоже можно выполнять обратную запись. Если перегрузка предотвращается, то количество потоков pdflush уменьшается, чтобы освободить память.

Всё это хорошо, но что если все потоки pdflush зависнут в ожидании записи в одну и ту же перегруженную очередь? В этом случае производительность нескольких потоков pdflush не будет выше производительности одного потока, а количество занятой памяти станет значительно большим. Чтобы уменьшить такой эффект, для потоков pdflush реализован алгоритм предотвращения зависания (congestion avoidance). Потоки активно начинают обратную запись страниц для тех очередей, которые не перегружены. В результате потоки pdflush распределяют свою работу по разным очередям и воздерживаются от записи в перегруженную очередь. Когда все потоки pdflush заняты работой и запускается новый поток, то это означает, что они действительно заняты.

В связи с усовершенствованием алгоритмов обратной записи страниц, включая введение демона bdflush, ядро серии 2.6 позволяет поддерживать в загруженном состоянии значительно большее количество дисков, чем в более старых версиях ядер. При активной работе потоки pdflush могут обеспечить большую пропускную способность сразу для большого количества дисковых устройств.

Коротко о главном

В этой главе был рассмотрен страничный кэш и обратная запись страниц. Было показано, как ядро выполняет все операции страничного ввода-вывода, как операции записи откладываются с помощью дискового кэша и как данные записываются на диск с помощью группы потоков пространства ядра pdflush.

На основании материала последних нескольких глав вы получили устойчивое представление о том, как выполняется управление памятью и файловыми системами. Теперь давайте перейдем к теме модулей и посмотрим, ядро Linux обеспечивает модульную и динамическую инфраструктуру для загрузки кода ядра во время работы системы.

Глава 16

Модули

Несмотря на то что ядро является монолитным, в том смысле что все ядро выполняется в общем защищенном адресном домене, ядро Linux также является модульным, что позволяет выполнять динамическую вставку и удаление кода ядра в процессе работы системы. Соответствующие подпрограммы, данные, а также точки входа и выхода группируются в общий бинарный образ, загружаемый объект ядра, который называется модулем. Поддержка модулей позволяет системам иметь минимальное базовое ядро с опциональными возможностями и драйверами, которые компилируются в качестве модулей. Модули также позволяют просто удалять и перегружать код ядра, что помогает при отладке, а также дает возможность загружать драйверы по необходимости в ответ на появление новых устройств с функциями горячего подключения.