Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Первая увеличивает на единицу значение счетчика использования, а вторая — уменьшает значение этого счетчика на единицу и, если это значение становится равным нулю, уничтожает соответствующую структуру bio. Перед тем как работать с активной структурой bio, необходимо увеличить счетчик использования, чтобы гарантировать, что экземпляр структуры не будет удален во время работы. После окончания работы необходимо уменьшить счетчик использования.

И наконец, поле bio_private — это поле данных создателя (владельца) структуры. Как правило, это поле необходимо считывать или записывать только тому, кто создал данный экземпляр структуры bio.

Сравнение старой и новой реализаций

Между заголовками буферов и новой структурой bio существуют важные отличия. Структура bio представляет операцию ввода-вывода, которая может включать одну или больше страниц в физической памяти. С другой стороны, заголовок буфера связан с одним дисковым блоком, который занимает не более одной страницы памяти. Поэтому использование заголовков буферов приводит к ненужному делению запроса ввода-вывода на части, размером в один блок, только для того, чтобы их потом снова объединить. Работа со структурами bio выполняется быстрее, эта структура может описывать несмежные блоки и не требует без необходимости разбивать операции ввода-вывода на части.

Переход от структуры struct buffer_head к структурам struct bio позволяет получить также и другие преимущества.

• Структура bio может легко представлять верхнюю память (см. главу 11), так как структура struct bio работает только со страницами физической памяти, а не с указателями.

• Структура bio может представлять как обычные страничные операции ввода- вывода, так и операции непосредственного (direct) ввода-вывода (т.е. те, которые не проходят через страничный кэш; страничный кэш обсуждается в главе 15).

• Структура bio позволяет легко выполнять операции блочного ввода-вывода типа распределения-аккумуляции (scatter-gather), в которых данные находятся в нескольких страницах физической памяти.

• Структура bio значительно проще заголовка буфера, потому что она содержит только минимум информации, необходимой для представления операции блочного ввода-вывода, а не информацию, которая связана с самим буфером.

Тем не менее заголовки буферов все еще необходимы для функций, которые выполняют отображение дисковых блоков на страницы физической памяти. Структура bio не содержит никакой информации о состоянии буфера, это просто массив векторов, которые описывают один или более сегментов данных одной операции блочного ввода-вывода, плюс соответствующая дополнительная информация. Структура buffer_head необходима для хранения информации о буферах. Применение двух отдельных структур позволяет сделать размер обеих этих структур минимальным.

Очереди запросов

Для блочных устройств поддерживаются очереди запросов (request queue), в которых хранятся ожидающие запросы на выполнение операций блочного ввода-вывода. Очередь запросов представляется с помощью структуры request_queue, которая определена в файле <linux/blkdev.h>. Очередь запросов содержит двухсвязный список запросов и соответствующую управляющую информацию. Запросы добавляются в очередь кодом ядра более высокого уровня, таким как файловые системы. Пока очередь запросов не пуста, драйвер блочного устройства, связанный с очередью, извлекает запросы из головы очереди и отправляет их на соответствующее блочное устройство. Каждый элемент списка запросов очереди— это один запрос, представленный с помощью структуры struct request.

Запросы

Отдельные запросы представляются с помощью структуры struct request, которая тоже определена в файле <linux/blkdev.h>. Каждый запрос может состоять из более чем одной структуры bio, потому что один запрос может содержать обращение к нескольким смежным дисковым блокам. Обратите внимание, что хотя блоки на диске и должны быть смежными, данные этих блоков не обязательно должны быть смежными в физической памяти — каждая структура bio может содержать несколько сегментов (вспомните, сегменты — это непрерывные участки памяти, в которых хранятся данные блока), а запрос может состоять из нескольких структур bio.

Планировщики ввода-вывода

Простая отправка запросов на устройство ввода-вывода в том же порядке, в котором эти запросы направляет ядро, приводит к очень плохой производительности. Одна из наиболее медленных операций, которые вообще могут быть в компьютере,— это поиск по жесткому диску. Операция поиска — это позиционирование головки жесткого диска на определенный блок, которое может запять много миллисекунд. Минимизация количества операций поиска чрезвычайно критична для производительности всей системы.

Поэтому ядро не отправляет все запросы на выполнение операций блочного ввода-вывода жесткому диску в том же порядке, в котором они были получены, или сразу же, как только они были получены. Вместо этого, оно выполняет так называемые операции слияния (объединения, merging) и сортировка (sorting), которые позволяют значительно увеличить производительность всей системы[76]. Подсистема ядра, которая выполняет эти операции называется планировщиком ввода-вывода (I/O scheduler).

Планировщик ввода-вывода разделяет дисковые ресурсы между ожидающими в очереди запросами ввода-вывода. Это выполняется путем объединения и сортировки запросов ввода-вывода, которые находятся в очереди. Планировщик ввода-вывода не нужно путать с планировщиком выполнения процессов (см. главу 4, "Планирование выполнения процессов"), который делит ресурсы процессора между процессами системы. Эти две подсистемы похожи, но это — не одно и то же. Как планировщик выполнения процессов, так и планировщик ввода-вывода выполняют виртуализацию ресурсов для нескольких объектов. В случае планировщика процессов выполняется виртуализация процессора, который совместно используется процессами системы. Это обеспечивает иллюзию того, что процессы выполняются одновременно, и является основой многозадачных операционных систем с разделением времени, таких как Unix. С другой стороны, планировщики ввода-вывода выполняют виртуализацию блочных устройств для ожидающих выполнения запросов блочного ввода-вывода. Это делается для минимизации количества операций поиска по жесткому диску и для получения оптимальной производительности дисковых операций.

Задачи планировщика ввода-вывода

Планировщик ввода-вывода работает управляя очередью запросов блочного устройства. Он определяет, в каком порядке должны следовать запросы в очереди и в какое время каждый запрос должен передаваться на блочное устройство. Управление производится с целью уменьшения количества операций поиска по жесткому диску, что значительно повышает общее быстродействие. Определение "общее" здесь существенно. Планировщик ввода-вывода ведет себя "нечестно" по отношению к некоторым запросам и за счет этого повышает производительность системы в целом.

Планировщики ввода-вывода выполняют две основные задачи: объединение и сортировку. Объединение — это слияние нескольких запросов в один. В качестве примера рассмотрим запрос, который поставлен в очередь кодом файловой системы, например чтобы прочитать порцию данных из файла (конечно, на данном этапе все уже выполняется на уровне секторов и блоков, а не на уровне файлов). Если в очереди уже есть запрос на чтение из соседнего сектора диска (например, другой участок того же файла), то два запроса могут быть объединены в один запрос для работы с одним или несколькими, расположенными рядом, секторами диска. Путем слияния запросов планировщик ввода-вывода уменьшает затраты ресурсов, связанные с обработкой нескольких запросов, до уровня необходимого на обработку одного запроса. Наиболее важно здесь то, что диск выполняет всего одну команду и обслуживание нескольких запросов может быть выполнено вообще без применения поиска. Следовательно, слияние запросов уменьшает накладные расходы и минимизирует количество операций поиска.

Теперь предположим, что наш запрос на чтение помещается в очередь запросов, но там нет других запросов на чтение соседних секторов. Поэтому нет возможности выполнить объединение этого запроса с другими запросами, находящимися в очереди. Можно просто поместить запрос в конец очереди. Но что если в очереди есть запросы к близкорасположенным секторам диска? Не лучше ли будет поместить новый запрос в очередь где-то рядом с запросами к физически близко расположенным секторам диска. На самом деле планировщики ввода-вывода именно так и делают, Вся очередь запросов поддерживается в отсортированном состоянии по секторам, чтобы последовательность запросов в очереди (насколько это возможно) соответствовала линейному движению по секторам жесткого диска. Цель состоит в том, чтобы не только уменьшить количество перемещений в каждом индивидуальном случае, но и минимизировать общее количество операций поиска таким образом, чтобы головка двигалась по прямой линии. Это аналогично алгоритму, который используется в лифте (elevator) — лифт не прыгает между этажами. Вместо этого он плавно пытается двигаться в одном направлении. Когда лифт доходит до последнего этажа в одном направлении, он начинает двигаться в другую сторону. Из-за такой аналогии планировщик ввода-вывода (а иногда только алгоритм сортировки) называют лифтовым планировщиком (алгоритмом лифта, elevator).