了解Linux I/O 調(diào)度器，優(yōu)化系統(tǒng)性能
前言
Linux I/O 調(diào)度器是Linux內(nèi)核中的一個組成部分，用戶可以通過調(diào)整這個調(diào)度器來優(yōu)化系統(tǒng)性能。本文首先介紹Linux I/O 調(diào)度器的結(jié)構(gòu)，然后介紹如何根據(jù)不同的存儲器來設(shè)置Linux I/O 調(diào)度器從而達到優(yōu)化系統(tǒng)性能。
Linux I/O 系統(tǒng)簡介
Linux I/O調(diào)度器(Linux I/O Scheduler)是LinuxI/O體系的一個組件，它介于通用塊層和塊設(shè)備驅(qū)動程序之間。如圖 1 所示。
圖1 Linux I/O調(diào)度器介于通用塊層和塊設(shè)備驅(qū)動程序之間
當(dāng)Linux內(nèi)核組件要讀寫一些數(shù)據(jù)時，并不是請求一發(fā)出，內(nèi)核便立即執(zhí)行該請求，而是將其推遲執(zhí)行。當(dāng)傳輸一個新數(shù)據(jù)塊時，內(nèi)核需要檢查它能否通過。Linux IO調(diào)度程序是介于通用塊層和塊設(shè)備驅(qū)動程序之間，所以它接收來自通用塊層的請求，試圖合并請求，并找到最合適的請求下發(fā)到塊設(shè)備驅(qū)動程序中。之后塊設(shè)備驅(qū)動程序會調(diào)用一個函數(shù)來響應(yīng)這個請求。
Linux整體I/O體系可以分為七層，它們分別是：
- 1. VFS虛擬文件系統(tǒng)：內(nèi)核要跟多種文件系統(tǒng)打交道，內(nèi)核抽象了這VFS，專門用來適配各種文件系統(tǒng)，并對外提供統(tǒng)一操作接口。
- 2. 磁盤緩存：磁盤緩存是一種將磁盤上的一些數(shù)據(jù)保留著RAM中的軟件機制，這使得對這部分數(shù)據(jù)的訪問可以得到更快的響應(yīng)。磁盤緩存在Linux中有三種類型：Dentry cache ，Page cache ， Buffer cache。
- 3. 映射層：內(nèi)核從塊設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)，這樣內(nèi)核就必須確定數(shù)據(jù)在物理設(shè)備上的位置，這由映射層(Mapping Layer)來完成。
- 4. 通用塊層：由于絕大多數(shù)情況的I/O操作是跟塊設(shè)備打交道，所以Linux在此提供了一個類似vfs層的塊設(shè)備操作抽象層。下層對接各種不同屬性的塊設(shè)備，對上提供統(tǒng)一的Block IO請求標(biāo)準(zhǔn)。
- 5. I/O調(diào)度層：大多數(shù)的塊設(shè)備都是磁盤設(shè)備，所以有必要根據(jù)這類設(shè)備的特點以及應(yīng)用特點來設(shè)置一些不同的調(diào)度器。
- 6. 塊設(shè)備驅(qū)動：塊設(shè)備驅(qū)動對外提供高級的設(shè)備操作接口。
- 7. 物理硬盤：這層就是具體的物理設(shè)備。
5種類型的Linux I/O調(diào)度器
Linux 從2.4內(nèi)核開始支持I/O調(diào)度器,到目前為止有5種類型：Linux 2.4內(nèi)核的 Linus Elevator、Linux 2.6內(nèi)核的 Deadline、 Anticipatory、 CFQ、 Noop，其中Anticipatory從Linux 2.6.33版本后被刪除了。目前主流的Linux發(fā)行版本使用Deadline、 CFQ、 Noop三種I/O調(diào)度器。下面依次簡單介紹：
1 Linus Elevator
在2.4 內(nèi)核中它是第一種I/O調(diào)度器。它的主要作用是為每個設(shè)備維護一個查詢請求，當(dāng)內(nèi)核收到一個新請求時，如果能合并就合并。如果不能合并，就會嘗試排序。如果既不能合并，也沒有合適的位置插入，就放到請求隊列的最后。
2 Anticipatory
Anticipatory的中文含義是"預(yù)料的，預(yù)想的"，顧名思義有個I/O發(fā)生的時候，如果又有進程請求I/O操作，則將產(chǎn)生一個默認的6毫秒猜測時間，猜測下一個進程請求I/O是要干什么的。這個I/O調(diào)度器對讀操作優(yōu)化服務(wù)時間，在提供一個I/O的時候進行短時間等待，使進程能夠提交到另外的I/O。Anticipatory算法從Linux 2.6.33版本后被刪除了，因為使用CFQ通過配置也能達到Anticipatory的效果。
3 DeadLine
Deadline翻譯成中文是截止時間調(diào)度器，是對Linus Elevator的一種改進，它避免有些請求太長時間不能被處理。另外可以區(qū)分對待讀操作和寫操作。DEADLINE額外分別為讀I/O和寫I/O提供了FIFO隊列。Deadline的工作流程如圖 2 所示。
圖2 Deadline的工作流程
4 CFQ
CFQ全稱Completely Fair Scheduler ，中文名稱完全公平調(diào)度器，它是現(xiàn)在許多 Linux 發(fā)行版的默認調(diào)度器，CFQ是內(nèi)核默認選擇的I/O調(diào)度器。它將由進程提交的同步請求放到多個進程隊列中，然后為每個隊列分配時間片以訪問磁盤。對于通用的服務(wù)器是最好的選擇,CFQ均勻地分布對I/O帶寬的訪問。CFQ為每個進程和線程,單獨創(chuàng)建一個隊列來管理該進程所產(chǎn)生的請求,以此來保證每個進程都能被很好的分配到I/O帶寬，I/O調(diào)度器每次執(zhí)行一個進程的4次請求。該算法的特點是按照I/O請求的地址進行排序，而不是按照先來后到的順序來進行響應(yīng)。簡單來說就是給所有同步進程分配時間片，然后才排隊訪問磁盤，CFQ的工作流程如圖 3 所示 。
圖3 CFQ的工作流程
5 NOOP
NOOP全稱No Operation,中文名稱電梯式調(diào)度器，該算法實現(xiàn)了最簡單的FIFO隊列，所有I/O請求大致按照先來后到的順序進行操作。NOOP實現(xiàn)了一個簡單的FIFO隊列,它像電梯的工作主法一樣對I/O請求進行組織。它是基于先入先出(FIFO)隊列概念的 Linux 內(nèi)核里最簡單的I/O 調(diào)度器。此調(diào)度程序最適合于固態(tài)硬盤。
I/O調(diào)度器的選擇
目前主流Linux發(fā)行版本使用三種I/O調(diào)度器：DeadLine、CFQ、NOOP，通常來說Deadline適用于大多數(shù)環(huán)境,特別是寫入較多的文件服務(wù)器，從原理上看，DeadLine是一種以提高機械硬盤吞吐量為思考出發(fā)點的調(diào)度算法，盡量保證在有I/O請求達到最終期限的時候進行調(diào)度，非常適合業(yè)務(wù)比較單一并且I/O壓力比較重的業(yè)務(wù)，比如Web服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用等。CFQ 為所有進程分配等量的帶寬,適用于有大量進程的多用戶系統(tǒng)，CFQ是一種比較通用的調(diào)度算法，它是一種以進程為出發(fā)點考慮的調(diào)度算法，保證大家盡量公平,為所有進程分配等量的帶寬,適合于桌面多任務(wù)及多媒體應(yīng)用。NOOP 對于閃存設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)是最好的選擇。對于固態(tài)硬盤來說使用NOOP是最好的，DeadLine次之，而CFQ效率最低。
查看Linux系統(tǒng)的 I/O調(diào)度器
查看Linux系統(tǒng)的I/O調(diào)度器一般分成兩個部分，一個是查看Linux系統(tǒng)整體使用的I/O調(diào)度器，另一個是查看某磁盤使用的I/O調(diào)度器。
查看當(dāng)前系統(tǒng)支持的I/O調(diào)度器，使用如下命令：
- # dmesg | grep -i scheduler
- [ 1.508820] io scheduler noop registered
- [ 1.508827] io scheduler deadline registered
- [ 1.508850] io scheduler cfq registered (default)
顯示cfq是目前的I/O調(diào)度器。
查看某塊硬盤的IO調(diào)度算法I/O調(diào)度器，使用如下命令：
- # cat /sys/block/sda/queue/scheduler
- noop deadline [cfq]
顯示當(dāng)前使用的調(diào)度器是cfq，就是括號括起來的那一個。
修改Linux系統(tǒng)的 I/O調(diào)度器
修改Linux系統(tǒng)的 I/O調(diào)度器有三種方法，分別是使用shell命令、使用grubby命令或者修改grub配置文件。下面依次介紹：
1、使用shell命令
Linux下更改的I/O調(diào)度器很簡單。不需要更新內(nèi)核，可以使用shell命令修改：
- #echo noop > /sys/block/sdb/queue/scheduler
清單3的命令把noop設(shè)置為一個磁盤的I/O調(diào)度器，你可以隨時更改而無需重啟計算機。
2、永久修改默認的I/O調(diào)度器
使用shell命令修改I/O調(diào)度器，只是臨時修改，系統(tǒng)重啟后，修改的調(diào)度器就會失效，要想修改默認的調(diào)度器，有兩種方法使用grubby命令或者直接編輯grub配置文件。
使用grubby命令
例如需要把I/O調(diào)度器從cfq調(diào)整成 DeadLine ，命令如下：
- # grubby --grub --update-kernel=ALL --args="elevator=deadline"
通過設(shè)置內(nèi)核加載參數(shù), 這樣當(dāng)機器重啟的時候，系統(tǒng)自動把所有設(shè)備的 I/O調(diào)度器變成 DeadLine 。
3、使用編輯器修改配置文件
也可以直接編輯grub的配置文件 ，通過修改grub配置文件，系統(tǒng)自動把所有設(shè)備的 I/O調(diào)度器變成cfq。操作過程如下：
- #vi cat /etc/default/grub
- #修改第五行，在行尾添加#
- elevator= cfq
- 然后保存文件，重新編譯配置文件，
- #grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg
重新啟動計算機系統(tǒng)即可。
總結(jié)
Linux I/O調(diào)度器是 Linux 內(nèi)核中的一個組成部分，用戶可以通過根據(jù)不同的存儲器來設(shè)置 Linux I/O 調(diào)度器從而達到優(yōu)化系統(tǒng)性能。 一般來說 NOOP 調(diào)度器最適合于固態(tài)硬盤，DeadLine 調(diào)度器適用于寫入較多的文件服務(wù)器，比如Web服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用等，而CFQ 調(diào)度器適合于桌面多任務(wù)及媒體應(yīng)用。
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