Главная » Ядро Linux » Планировщики  ввода-вывода

0

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 системы2. Подсистема  ядра,  которая выполняет эти операции называется планировщиком ввода-вывода (J/0 scheduler).

Планировщик ввода-вывода  разделяет дисковые  ресурсы между ожидающими  в очереди запросами впода-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 жесткомудиску, чтозначительноповышаетобщеебыстродействие. Определение"общее" здесь существенно.  Планировщик ввода-вывода  ведет себя "нечестно" по отношению к некоторым  запросам и за счет этого повышает производительность  системы в целом.

2   Это  необходим о  подчеркнут ь  особо .  Системы ,  не  имеющи е  таки х функци й  или  в  которы х эти функции плохо  реализованы, будут иметь  очен ь плохую  производительность даже  при  небольшом количестве   операци й  блочного   ввода-вывода.

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 уменьятает 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).

Источник: Лав,  Роберт. Разработка ядра  Linux, 2-е  издание. : Пер.  с англ.  — М.  : ООО  «И.Д.  Вильяме» 2006. — 448 с. : ил. — Парал. тит. англ.

По теме:

  • Комментарии