Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Если же для запроса, который находится в голове FIFO-очереди записи или FIFO-очереди чтения, истекает период ожидания (т.е. текущий момент времени становится большим, чем момент времени, когда истекает период ожидания, связанный с запросом), то deadline-планировщик начинает обрабатывать запросы из соответствующей очереди FIFO. Таким образом планировщик с лимитом по времени пытается гарантировать, что запросы не будут ожидать дольше максимального периода ожидания (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Три очереди планировщика ввода-вывода с лимитом по времени

Следует заметить, что deadline-плаиировщик ввода-вывода не дает строгой гарантии времени задержки запроса. Однако он, в общем, позволяет отправлять на обработку запросы до или вскоре после того, как истек их период ожидания. Это позволяет предотвратить ситуацию недостатка обслуживания запросов. Так как для запросов чтения максимальное время ожидания значительно больше, чем для запросов записи, то планировщик с лимитом по времени также позволяет гарантировать, что обслуживание запросов записи не приведет к недостатку обслуживания запросов чтения. Больший приоритет запросов чтения позволяет минимизировать время задержки при операциях чтения.

Код планировщика ввода-вывода с лимитом по времени находится в файле drivers/block/deadline-iosched.с.

Прогнозирующий планировщик ввода-вывода

Хотя планировщик с лимитом по времени ввода-вывода и выполняет работу по минимизации задержек чтения, это делается ценой уменьшения глобального быстродействия. Рассмотрим систему с большой активностью записи. Каждый раз, когда приходит запрос на чтение, планировщик сразу же начинает его выполнять. Это приводит к тому, что сразу же запускается операция поиска того места на диске, где будет выполнено чтение и сразу после выполнения чтения снова осуществляется поиск того места, где будет выполнена запись, и так повторяется при каждом запросе чтения. Большой приоритет запросов чтения вещь хорошая, но две операции поиска на каждый запрос чтения (перемещение в точку чтения и обратно в точку записи) очень плохо сказываются на общей дисковой производительности. Цель прогнозирующего планировщика ввода-вывода (anticipatory I/O scheduler) — обеспечение хороших характеристик по задержкам чтения и в то же время обеспечение отличной общей производительности.

Прогнозирующий планировщик построен на базе планировщика ввода-вывода с лимитом но времени. Поэтому он не особо отличается. В прогнозирующем планировщике реализованы три очереди (плюс очередь диспетчеризации) и обработка времени ожидания для каждого запроса, так же как и В случае deadline-планировщика. Главное отличие состоит в наличии дополнительного эвристического прогнозирования (anticipation heuristic).

Прогнозирующий планировщик ввода-вывода пытается минимизировать "шторм операций поиска", который следует за каждым запросом чтения во время выполнения других дисковых операций. Когда поступает запрос на чтение, он обрабатывается в рамках своего времени ожидания как обычно. После того как запрос отправлен жесткому диску, прогнозирующий планировщик сразу не возвращается к выполнению предыдущих запросов и не запускает операцию поиска сразу же. Он абсолютно ничего не делает в течение нескольких миллисекунд (значение этого периода времени можно настраивать, а по умолчанию оно равно 6 миллисекунд). Существует большой шанс, что за эти несколько миллисекунд приложение отправит еще один запрос на чтение. Все запросы к соседним секторам диска выполняются немедленно. После .того как время ожидания истекает, прогнозирующий планировщик возвращается к выполнению ранее оставленных запросов и выполняет поиск соответствующего места на диске.

Важно обратить внимание, что те несколько миллисекунд, в течение которых планировщик ожидает на новые запросы (т.е. время, которое планировщик тратит в предвещании нового запроса), полностью окупаются, даже если это позволяет минимизировать всего лишь небольшой процент операций поиска при выполнении запросов чтения в случае большого количества других запросов. Если во время ожидания приходит запрос к соседней области диска, то это позволяет избежать двух операций поиска. Чем больше за это время приходит запросов к соседним областям диска, тем большего количества операций поиска можно избежать.

Конечно, если в течение периода ожидания не было никакой активности, то прогнозирующий планировщик зря потратит эти несколько миллисекунд.

Ключевой момент для получения максимальной производительности от прогнозирующего планировщика — правильно предсказать действия приложений и файловых систем. Это выполняется на основе эвристических алгоритмов и сбора статики. Прогнозирующий планировщик ведет статистику операций блочного ввода-вывода по каждому процессу в надежде предсказать действия приложений. При достаточно высоком проценте точных предсказаний прогнозирующий планировщик способен значительно снизить затраты на поиск при выполнении операций чтения и в то же время уделить внимание тем запросам, которые критичны для производительности системы. Это позволяет прогнозирующему планировщику минимизировать задержки чтения и в то же время уменьшить количество и продолжительность операций поиска, что в свою очередь проявляется в уменьшении времени реакции системы и в увеличении ее производительности.

Код прогнозирующего планировщика находится в файле drivers/block/as-iosched.c дерева исходных кодов ядра.

Этот планировщик используется в ядре Linux по умолчанию и хорошо работает для большинства типов нагрузки на систему. Он идеальный для серверов, однако работает очень плохо в случае определенных типов загрузки, которые встречаются не очень часто, как, например, в случае баз данных, рассчитанных на большое количество операций поиска но диску.

Планировщик ввода-вывода с полностью равноправными очередями

Планировщик ввода-вывода с полностью равноправными очередями (Complete Fair Queuing, CFQ) был разработан для определенного типа нагрузок на систему, по на практике он позволяет получить хорошую производительность для широкого диапазона типов нагрузки. Он фундаментальным образом отличается от всех ранее рассмотренных планировщиков ввода-вывода.

Планировщик CFQ распределяет все приходящие запросы ввода-вывода по определенным очередям на основании того, какой процесс прислал этот запрос. Например, запросы от процесса foo идут в очередь foo, запросы от процесса bar — в очередь bar. В пределах каждой очереди запросы объединяются со смежными и сортируются. Таким образом очереди поддерживаются в отсортированном состоянии, так же как и в случае других планировщиков ввода-вывода. Отличие планировщика CFQ состоит в том, что он поддерживает отдельную очередь для каждого процесса, который выполняет операции ввода-вывода.

После этого планировщик CFQ выполняет запросы из разных очередей по круговому алгоритму, выполняя конфигурируемое количество запросов (по умолчанию 4) из каждой очереди, перед тем как перейти к следующей. Это позволяет получить равномерное распределение пропускной способности диска для каждого процесса в системе. Предполагаемое использование такого планировщика — мультимедийные приложения, для которых он позволяет гарантировать, что, например, аудио-проигрыватель всегда будет успевать вовремя заполнять аудиобуферы с диска. Тем не менее планировщик CFQ на практике хорошо работает для многих сценариев загруженности системы.

Код CFQ планировщика находится в файле drivers/block/cfq-iosched.с. Этот планировщик рекомендуется для офисных компьютеров, хотя хорошо работает практически для всех типов нагрузок, за исключением, может быть, уж очень экстремальных типов загруженности.

Планировщик ввода-вывода noop

Четвертый, и последний, тип планировщика ввода-вывода — это планировщик noop (no operation, с отсутствием операций). Он назван так потому, что практически ничего не делает. Этот планировщик не выполняет никакой сортировки или других операций для предотвращения поиска по устройству. Ему нет необходимости выполнять ничего, включая алгоритмы, которые минимизируют задержки и были рассмотрены для предыдущих планировщиков.

Планировщик ввода-вывода noop выполняет только объединение приходящих запросов со смежными, которые находятся в очереди. Кроме этого, больше никаких функций у данного планировщика нет. Он просто обслуживает очередь запросов, которые передаются драйверу блочного устройства, в режиме FIFO.

Планировщик noop не является полностью бесполезным. В том, что он ничего не делает, есть большой смысл. Он рассчитан на блочные устройства, которые позволяют выполнять истинно произвольный доступ, такие как платы флеш-памяти. Если для блочного устройства нет накладных затрат, связанных с поиском по устройству, то нет и необходимости выполнять сортировку и вставку вновь приходящих запросов, и планировщик noop — идеальный вариант.