Linux内核之IO4：块I/O流程与I/O调度器

1一个块IO的一生

从page cache到bio到request

当APP打开一个文件，内核为文件维护一个pagecache(磁盘的一个副本)；

读写文件时如果page cache命中，只会读写内存不操作磁盘；没有命中，才操作磁盘。

在内核用file结构体表示，可见其包含一个inode结构体，一个地址空间；

相关的几个结构体在内核对应关系如下：

可见，当多个进程同时打开同一个文件时，不同的file结构体对应同一个inode和同一个地址空间，地址空间是由一颗radix
tree维护(即pagecache)，读写文件时，查看对应内存页在page
cache中是否命中，若命中直接从内存空间读写；若不命中，申请一个内存页，从磁盘读入数据，挂到page
cache的radix tree中。

另外，page cache与磁盘的同步由地址空间操作函数readpage/writepage完成

对磁盘访问，有两种方法：

a.裸磁盘直接访问；

b.通过文件系统访问；

它们在内核page cached对应关系如下：

一个address_space对应一个inode。

free命令统计的buffer/cached，只是统计上的区别；

buffer=操作裸分区的地址空间+文件系统的元数据地址空间；

cached=文件系统的地址空间(page cached)缓存；

但是对同一个磁盘，裸磁盘和文件系统两种方式同时操作的时候，同一个数据块会被映射到不同的address_space，会产生同步的问题；

在用dd的时候，最好不要操作文件系统数据。

2 O_DIRECT和O_SYNC

直接操作裸磁盘分区用O_DIRECT，内核没有任何cache，直接操作磁盘；用户可以根据数据特点，在用户空间做cache。O_DIRECT申请内存要用posix_memalign接口；

而O_SYNC依然通过page cache，但是会立即写入同步磁盘；

App通过page cache访问文件和直接操作裸磁盘的模型，与CPU通过cache访问内存和DMA直接访问内存的模型非常类似；

这里page cache是内存，file是磁盘分区数据块；

当有一个进程启用O_DIRECT模式，其他进程最好也用O_DIRECT；

3 BIO 流程blktrace

对于一个pagecache地址空间，指向的是page页，文件系统ext4读取inode，将page转化为磁盘数据块，变成BIO请求；

BIO最终要转化成request，然后request被块设备驱动程序调用完成；

Bio经过三个队列变成request，三进三出

step1:原地蓄势

把bio转化为request，把request放入进程本进程的plug队列；蓄势多个request后，再进行泄洪。

可能合并相邻bio为一个request；

Bio数量>=request数量；

多个进程，泄洪request到电梯；

step2.电梯排序

进程本地的plug队列的request进入到电梯队列，进行再次的合并、排序，执行QoS的排队，之后按照QoS的结果，分发给dispatch队列。电梯内部的实现，可以有各种各样的队列。

比如两个进程需要读邻近的数据块，可以合并为一个request

电梯调度层可以做QoS，设定进程访问IO的优先级；

step3.分发执行dispatch

电梯分发的request，被设备驱动的request_fn()挨个取出来，派发真正的硬件读写命令到硬盘。这个分发的队列，一般就是我们在块设备驱动里面见到的request_queue了。request_queue完成真正的硬件操作；

工具ftrace

do.sh

#!/bin/bashdebugfs=/sys/kernel/debug
echo nop > $debugfs/tracing/current_tracer
echo 0 > $debugfs/tracing/tracing_on
echo `pidof read` > $debugfs/tracing/set_ftrace_pid
echo function_graph > $debugfs/tracing/current_tracer
echo vfs_read > $debugfs/tracing/set_graph_function
echo 1 > $debugfs/tracing/tracing_on

执行./read读文件

查看trace过程

sudo cat /sys/kernel/debug/tracing/trace > t.txt

用VIM查看t.txt，用.funcgrahp.vim插件打开可以合并/展开对应函数调用

vim -S ~/.funcgrahp.vim

4 IO调度算法，CFQ和ionice

查看当前系统的IO调度算法

(base) leon\@pc:/sys/block/sda/queue\$ cat schedulernoop deadline [cfq]

修改调度算法:

sudo echo cfg > scheduler

CFQ调度算法:类似进程调度的CFS算法

ionice –helpionice –c 2 –n 0 dd if=/dev/sda of=/dev/null &  //设置nice值=0ionice –c 2 –n 8 dd if=/dev/sda of=/dev/null &  //设置nice值=8

iotop查看IO读写速度，有明显差异

改成deadline策略

echo deadline > scheduler

此时尽管优先级不同，但两个进程IO速度相近了；

5 cgroup与IO

cd /sys/fs/cgroup/blkio

a.创建群组A,B

Mkdir A;makedir B

cat blkiolweight //默认是500

分别把两个进程放到A和B执行

cgexec -g blkio:A dd if=/dev/sda of=/dev/null iflag=direct &

cgexec -g blkio:B dd if=/dev/sda of=/dev/null iflag=direct &

查看io占用iotop

默认是相近

b.修改群权重

echo 50 > blkio.weight

两个进程优先级一样，但IO速度差别很大；

c.cgroup还可以控制阀门，限制最大读速度：

8：0磁盘的主次设备号

echo "8:0 1048576" > /sys/fs/cgroup/blkio/A/blkio.throttle.read_bps_device

带cache读写，这里的限速不起作用；direct方式才生效；

cgroup v2版本支持带cache限速

6 IO性能调试：iotop, iostat

blktrace跟踪硬盘的各个读写点

blktrace –d /dev/sda –o - |blkparse –I –

dd if=main.c of=t.txt oflag=syncdebugfs –R ‘ickeck xxxx’ /dev/sda1debugfs –R ‘nckeck inode’ /dev/sda1blkcat /dev/sda1 xxx