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(gè)組件，它介于通用塊層和塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序之間

當(dāng)Linux內(nèi)核組件要讀寫一些數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)新數(shù)據(jù)塊時(shí)，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(dòng)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(dòng)程序中。之后塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)調(diào)用一個(gè)函數(shù)來響應(yīng)這個(gè)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(jī)制，這使得對這部分?jǐn)?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(gè)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(diǎn)以及應(yīng)用特點(diǎn)來設(shè)置一些不同的調(diào)度器。

6. 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)：塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(gè)設(shè)備維護(hù)一個(gè)查詢請求，當(dāng)內(nèi)核收到一個(gè)新請求時(shí)，如果能合并就合并。如果不能合并，就會(huì)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(duì)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(gè)I/O發(fā)生的時(shí)候，如果又有進(jìn)程請求I/O操作，則將產(chǎn)生一個(gè)默認(rèn)的6毫秒猜測時(shí)間，猜測下一個(gè)進(jìn)程請求I/O是要干什么的。這個(gè)I/O調(diào)度器對讀操作優(yōu)化服務(wù)時(shí)間，在提供一個(gè)I/O的時(shí)候進(jìn)行短時(shí)間等待，使進(jìn)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?yàn)槭褂肅FQ通過配置也能達(dá)到Anticipatory的效果。

3 DeadLine

Deadline翻譯成中文是截止時(shí)間調(diào)度器，是對Linus Elevator的一種改進(jìn)，它避免有些請求太長時(shí)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(duì)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(rèn)調(diào)度器，CFQ是內(nèi)核默認(rèn)選擇的I/O調(diào)度器。它將由進(jìn)程提交的同步請求放到多個(gè)進(jìn)程隊(duì)列中，然后為每個(gè)隊(duì)列分配時(shí)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(gè)進(jìn)程和線程,單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)隊(duì)列來管理該進(jìn)程所產(chǎn)生的請求,以此來保證每個(gè)進(jìn)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(gè)進(jìn)程的4次請求。該算法的特點(diǎn)是按照I/O請求的地址進(jìn)行排序，而不是按照先來后到的順序來進(jìn)行響應(yīng)。簡單來說就是給所有同步進(jìn)程分配時(shí)間片，然后才排隊(duì)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(shí)現(xiàn)了最簡單的FIFO隊(duì)列，所有I/O請求大致按照先來后到的順序進(jìn)行操作。NOOP實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的FIFO隊(duì)列,它像電梯的工作主法一樣對I/O請求進(jìn)行組織。它是基于先入先出（FIFO）隊(duì)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。NOOP的工作流程如圖4 所示。

圖4 NOOP的工作流程

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(jī)械硬盤吞吐量為思考出發(fā)點(diǎn)的調(diào)度算法，盡量保證在有I/O請求達(dá)到最終期限的時(shí)候進(jìn)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(jìn)程分配等量的帶寬,適用于有大量進(jìn)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(jìn)程為出發(fā)點(diǎn)考慮的調(diào)度算法，保證大家盡量公平,為所有進(jìn)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。