Linux IO系統的架構圖

 

一．設備-------- 影響磁盤性能的因素

硬盤的轉速影響硬盤的整體性能。一般情況下轉速越大，性能會越好。

硬盤的性能因素主要包括兩個：1.平均訪問時間2傳輸速率。

 

平均訪問時間包括兩方面因素：

平均尋道時間(Average Seek Time)是指硬盤的磁頭移動到盤面指定磁道所需的時間。一般在3ms至15ms之間。

平均旋轉等待時間(Latency)是指磁頭已處于要訪問的磁道，等待所要訪問的扇區旋轉至磁頭下方的時間。一般在2ms至6ms之間。

 

傳輸速率(Data Transfer Rate) 硬盤的數據傳輸率是指硬盤讀寫數據的速度，單位為兆字節每秒（MB/s）。磁盤每秒能傳輸80M~320M字節。

 

傳輸速率包括內部傳輸速率和外部傳輸速率。

內部傳輸率(Internal Transfer Rate) 也稱為持續傳輸率(Sustained Transfer Rate)，它反映了硬盤緩沖區未用時的性能。內部傳輸率主要依賴于硬盤的旋轉速度。

外部傳輸率（External Transfer Rate）也稱為突發數據傳輸率（Burst Data Transfer Rate）或接口傳輸率，它標稱的是系統總線與硬盤緩沖區之間的數據傳輸率，外部數據傳輸率與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關。STAT2 的傳輸速率在300MB/s級別。

 

因此在硬件級上，提高磁盤性能的關鍵主要是降低平均訪問時間。

二．設備驅動

內存到硬盤的傳輸方式：poll，中斷，DMA

 

DMA：當 CPU 初始化這個傳輸動作，傳輸動作本身是由 DMA 控制器 來實行和完成。

DMA控制器獲得總線控制權后，CPU即刻掛起或只執行內部操作，由DMA控制器輸出讀寫命令，直接控制RAM與I/O接口進行DMA傳輸。DMA每次傳送的是磁盤上相鄰的扇區。Scatter-gather DMA允許傳送不相鄰的扇區。

 

CPU性能與硬盤與內存的數據傳輸速率關系不大。

 

設備驅動內有一個結構管理著IO的請求隊列

structrequest_queue（include/linux/Blkdev.h）

這里不僅僅有讀寫請求的數據塊，還有用于IO調度的回調函數結構。每次需要傳輸的時候，就從隊列中選出一個數據塊交給DMA進行傳輸。

 

所以IO調度的回調函數這是降低平均訪問的時間的關鍵。

 

三．OS

IO調度器

Linux kernel提供了四個調度器供用戶選擇。他們是noop,cfq,deadline,as。可以在系統啟動時設置內核參數elevator=<name>來指定默認的調度器。也可以在運行時為某個塊設備設置IO調度程序。

 

下面來簡要介紹這四個調度器的電梯調度算法。

Noop：最簡單的調度算法。新的請求總是被添加到隊頭或者隊尾，然后總是從隊頭中選出將要被處理的請求。

 

CFQ：（Complete FarinessQueueing）它的目標是在所有請求的進程中平均分配IO的帶寬。因此，它會根據進程創建自己的請求隊列，然后將IO請求放入相應的隊列中。在使用輪轉法從每個非空的隊列中取出IO請求。

 

Deadline：使用了四個隊列，兩個以磁盤塊序號排序的讀寫隊列，兩個以最后期限時間排序的讀寫隊列。算法首先確定下一個讀寫的方向，讀的優先級高于寫。然后檢查被選方向的最后期限隊列：如果最后期限時間的隊列中有超時的請求，則將剛才的請求移動至隊尾，然后在磁盤號排序隊列中從超時請求開始處理。當處理完一個方向的請求后，在處理另一個方向的請求。（讀請求的超時時間是500ms，寫請求的超時時間是5s）

 

Anticipatory：它是最復雜的IO調度算法。和deadline算法一樣有四個隊列。還附帶了一些啟發式策略。它會從當前的磁頭位置后的磁盤號中選擇請求。在調度了一個由P進程的IO請求后，會檢查下一個請求，如果還是P進程的請求，則立即調度，如果不是，同時預測P進程很快會發出請求，則還延長大約7ms的時間等待P進程的IO請求。

 

 

 

Write/Read函數

以ext3的write為例：

系統調用write()的作用就是修改頁高速緩存內的一些頁的內容，如果頁高速緩存內沒有所要的頁則分配并追加這些頁。

當臟頁達到一定數量或者超時后，將臟頁刷回硬盤。也可以執行相關系統調用。

 

為什么要達到一定數量，是因為延遲寫能在一定層度上提高系統的性能，這也使得塊設備的平均讀請求會多于寫請求。

 

在程序中調用write函數，將進入系統調用f_op->write。這個函數將調用ext3的do_sync_write。這個函數將參數封裝后調用generic_file_aio_write。由參數名可以看出同步寫變成了異步寫。如果沒有標記O_DIRECT，將調用函數generic_file_buffered_write將寫的內容寫進kernel的高速頁緩存中。Buffer是以page為單位即4k。之后當調用cond_resched()進行進程的調度，DMA會將buffer中的內容寫進硬盤。

所以當每次以4k為單位寫入硬盤時效率會達到最高。下面是UNIX環境高級編程的實驗結果：

下圖是linux 的塊設備的數據操作層次：

Sector扇區：是設備驅動和IO調度程序處理數據粒度。

Block塊：是VFS和文件系統處理數據的粒度。其大小不唯一，可以是512,1024,2048,4096字節。內核操作的塊大小是4096字節。

Segment段：是DMA傳送的單位。每一個段包含了相鄰的扇區，它能使DMA傳送不相鄰的扇區。

 

四．用戶程序

根據以上的分析，我們的write buffer一般設置為4K的倍數。

 

在程序中有意識的延遲寫。這個是os的策略，當然也可以應用到程序的設計中。當然也會有缺點：1.如果硬件錯誤或掉電，則會丟失內容（做額外的備份）2.需要額外的內存空間。（犧牲內存來提高IO的效率）

 

我們還需根據系統的IO調度器的調度策略，設計出不同的IO策略。盡量降低磁盤的平均訪問時間，降低請求隊列，提高數據傳輸的速率。

 

 

 

五．監控硬盤的工具和指標

Iostat–x –k 1

 -x顯示更多的消息 -k數據以KB為單位 1每秒顯示一次

輸出顯示的信息

Iowait：cpu等待未完成的IO請求而空閑的時間的比例。

Idle：cpu空閑且無IO請求的比例。

rrqm/s：每秒這個設備相關的讀取請求有多少被Merge了。

wrqm/s：每秒這個設備相關的寫入請求有多少被Merge了。

rsec/s：每秒讀取的扇區數；

wsec/：每秒寫入的扇區數。

r/s：每秒完成的讀 I/O 設備次數。即 delta(rio)/s

w/s：每秒完成的寫 I/O 設備次數。即 delta(wio)/s

await：每一個IO請求的處理的平均時間（單位是毫秒）。包括加入請求隊列和服務的時間。

svctm:   平均每次設備I/O操作的服務時間。

avgrq-sz: 平均每次設備I/O操作的數據大小 (扇區)。即 delta(rsect+wsect)/delta(rio+wio)
avgqu-sz: 平均I/O隊列長度。即 delta(aveq)/s/1000 (因為aveq的單位為毫秒)。

%util：在統計時間內所有處理IO時間，除以總共統計時間。例如，如果統計間隔1秒，該設備有0.8秒在處理IO，而0.2秒閑置，那么該設備的%util = 0.8/1 = 80%，所以該參數暗示了設備的繁忙程度。一般地，如果該參數是100%表示設備已經接近滿負荷運行了（當然如果是多磁盤，即使%util是100%，因為磁盤的并發能力，所以磁盤使用未必就到了瓶頸）。

 

下面我們做一個實驗來分析一下

我們使用命令

time dd if=/dev/zero of=/home/zhouyuan/mytest bs=1M count=3000

向mytest寫入數據，寫入3G。

截取部分的狀態監控：

 

如圖2，當兩條數據 iowait 達到了 99% 以上，寫入的數據是0，這是因為DMA將內存的中的數據傳輸給設備。結合圖1的前兩條數據，利用率達到了99%+卻沒有寫入的磁盤塊。

如圖3，iowait下降，說明cpu開始執行相關程序，而此時塊設備開始寫入的數據。這兩個操作是異步進行的。

 

Vmstat–k –n 1

Swap

　　si: 從磁盤交換到內存的交換頁數量，單位：KB/秒

　　so: 從內存交換到磁盤的交換頁數量，單位：KB/秒

IO

　　bi: 從塊設備接受的塊數，單位：塊/秒

　　bo: 發送到塊設備的塊數，單位：塊/秒

從圖中我們可以看出系統的延遲寫。