Linux 內(nèi)核包含4個IO調(diào)度器：

Noop IO scheduler

Anticipatory IO scheduler

Deadline IO scheduler

CFQ IO scheduler。

anticipatory, 預(yù)期的；提早發(fā)生的；期待著的

通常磁盤的讀寫影響是由磁頭到柱面移動造成了延遲，解決這種延遲內(nèi)核主要采用兩種策略：緩存和IO調(diào)度算法來進(jìn)行彌補(bǔ)。

本文做一簡單介紹。

調(diào)度算法概念

當(dāng)向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)塊或是從設(shè)備讀出數(shù)據(jù)塊時,請求都被安置在一個隊列中等待完成。

每個塊設(shè)備都有它自己的隊列。

I/O調(diào)度程序負(fù)責(zé)維護(hù)這些隊列的順序,以更有效地利用介質(zhì).I/O調(diào)度程序?qū)o序的I/O操作變?yōu)橛行虻腎/O操作。

內(nèi)核必須首先確定隊列中一共有多少個請求,然后才開始進(jìn)行調(diào)度。

IO 調(diào)度器（IO Scheduler）

IO調(diào)度器（IO Scheduler）是操作系統(tǒng)用來決定塊設(shè)備上IO操作提交順序的方法。存在的目的有兩個，一是提高IO吞吐量，二是降低IO響應(yīng)時間。然而IO吞吐量和IO響應(yīng)時間往往是矛盾的，為了盡量平衡這兩者，IO調(diào)度器提供了多種調(diào)度算法來適應(yīng)不同的IO請求場景。其中，對數(shù)據(jù)庫這種隨機(jī)讀寫的場景最有利的算法是DEANLINE。

IO調(diào)度器在內(nèi)核棧中所處位置如下：

塊設(shè)備最悲劇的地方就是磁盤轉(zhuǎn)動，這個過程會很耗時間。

每個塊設(shè)備或者塊設(shè)備的分區(qū)，都對應(yīng)有自身的請求隊列(request_queue),而每個請求隊列都可以選擇一個I/O調(diào)度器來協(xié)調(diào)所遞交的request。I/O調(diào)度器的基本目的是將請求按照它們對應(yīng)在塊設(shè)備上的扇區(qū)號進(jìn)行排列，以減少磁頭的移動，提高效率。每個設(shè)備的請求隊列里的請求將按順序被響應(yīng)。實際上，除了這個隊列，每個調(diào)度器自身都維護(hù)有不同數(shù)量的隊列，用來對遞交上來的request進(jìn)行處理，而排在隊列最前面的request將適時被移動到請求隊列中等待響應(yīng)。

IO scheduler 的作用主要是為了減少磁盤轉(zhuǎn)動的需求。主要通過2種方式實現(xiàn)： ? ? ? 1. 合并

? ? ? 2. 排序

每個設(shè)備都會自己對應(yīng)請求隊列，所有的請求在被處理之前都會在請求隊列上。在新來一個請求的時候如果發(fā)現(xiàn)這個請求和前面的某個請求請求的位置是相鄰的，那么就可以合并為一個請求。如果不能找到合并的，就會按照磁盤的轉(zhuǎn)動方向進(jìn)行排序。通常IO scheduler 的作用就是為了在進(jìn)行合并和排序的同時，也不會太影響單個請求的處理時間。

1、NOOP

FIFO

1. noop是什么? noop是一種輸入輸出調(diào)度算法。NOOP, No Operation. 什么都不做，請求來一個處理一個。這種方式實施起來簡單，也更有效。問題就是disk seek 太多，對于傳統(tǒng)磁盤，這是不能接受的。但對于SSD 磁盤就可以，因為SSD 磁盤不需要轉(zhuǎn)動。

2. noop的別稱 又稱為電梯調(diào)度算法。

3. noop原理是怎樣的?

將輸入輸出請求放到一個FIFO隊列中，然后按次序執(zhí)行隊列中的輸入輸出請求:當(dāng)來一個新請求時： 1. 如果能合并就合并； 2. 如果不能合并，就會嘗試排序。如果隊列上的請求都已經(jīng)很老了，這個新的請求就不能插隊，只能放到最后面。否則就插到合適的位置； 3. 如果既不能合并，又沒有合適的位置插入，就放到請求隊列的最后； 4. 適用場景

4.1 在不希望修改輸入輸出請求先后順序的場景下；

4.2 在輸入輸出之下具有更加智能調(diào)度算法的設(shè)備，如NAS存儲設(shè)備；

4.3 上層應(yīng)用程序已經(jīng)精心優(yōu)化過的輸入輸出請求；

4.4 非旋轉(zhuǎn)磁頭式的磁盤設(shè)備，如SSD磁盤

2、CFQ(Completely Fair Queuing, 完全公平排隊)

CFQ（Completely Fair Queuing）算法，顧名思義，絕對公平算法。它試圖為競爭塊設(shè)備使用權(quán)的所有進(jìn)程分配一個請求隊列和一個時間片，在調(diào)度器分配給進(jìn)程的時間片內(nèi)，進(jìn)程可以將其讀寫請求發(fā)送給底層塊設(shè)備，當(dāng)進(jìn)程的時間片消耗完，進(jìn)程的請求隊列將被掛起，等待調(diào)度。

每個進(jìn)程的時間片和每個進(jìn)程的隊列長度取決于進(jìn)程的IO優(yōu)先級，每個進(jìn)程都會有一個IO優(yōu)先級，CFQ調(diào)度器將會將其作為考慮的因素之一，來確定該進(jìn)程的請求隊列何時可以獲取塊設(shè)備的使用權(quán)。

IO優(yōu)先級從高到低可以分為三大類： RT(real time) BE(best try)

IDLE(idle)

其中RT和BE又可以再劃分為8個子優(yōu)先級?？梢酝ㄟ^ionice 去查看和修改。優(yōu)先級越高，被處理得越早，用于這個進(jìn)程的時間片也越多，一次處理的請求數(shù)也會越多。

實際上，我們已經(jīng)知道CFQ調(diào)度器的公平是針對于進(jìn)程而言的，而只有同步請求(read或syn write)才是針對進(jìn)程而存在的，他們會放入進(jìn)程自身的請求隊列，而所有同優(yōu)先級的異步請求，無論來自于哪個進(jìn)程，都會被放入公共的隊列，異步請求的隊列總共有8(RT)+8(BE)+1(IDLE)=17個。

從Linux 2.6.18起，CFQ作為默認(rèn)的IO調(diào)度算法。對于通用的服務(wù)器來說，CFQ是較好的選擇。具體使用哪種調(diào)度算法還是要根據(jù)具體的業(yè)務(wù)場景去做足benchmark來選擇，不能僅靠別人的文字來決定。

3、DEADLINE

DEADLINE在CFQ的基礎(chǔ)上，解決了IO請求餓死的極端情況。

除了CFQ本身具有的IO排序隊列之外，DEADLINE額外分別為讀IO和寫IO提供了FIFO隊列。

讀FIFO隊列的最大等待時間為500ms，寫FIFO隊列的最大等待時間為5s（當(dāng)然這些參數(shù)都是可以手動設(shè)置的）。

FIFO隊列內(nèi)的IO請求優(yōu)先級要比CFQ隊列中的高，而讀FIFO隊列的優(yōu)先級又比寫FIFO隊列的優(yōu)先級高。優(yōu)先級可以表示如下：

FIFO(Read) > FIFO(Write) > CFQ

deadline 算法保證對于既定的 IO 請求以最小的延遲時間，從這一點(diǎn)理解，對于 DSS 應(yīng)用應(yīng)該會是很適合的。

deadline 實際上是對Elevator 的一種改進(jìn):?

1. 避免有些請求太長時間不能被處理。

2. 區(qū)分對待讀操作和寫操作。

deadline IO 維護(hù)3個隊列。第一個隊列和Elevator 一樣， 盡量按照物理位置排序。第二個隊列和第三個隊列都是按照時間排序，不同的是一個是讀操作一個是寫操作。

deadline IO 之所以區(qū)分讀和寫是因為設(shè)計者認(rèn)為如果應(yīng)用程序發(fā)了一個讀請求，一般就會阻塞到那里，一直等到的結(jié)果返回。而寫請求則不是通常是應(yīng)用請求寫到內(nèi)存即可，由后臺進(jìn)程再寫回磁盤。應(yīng)用程序一般不等寫完成就繼續(xù)往下走。所以讀請求應(yīng)該比寫請求有更高的優(yōu)先級。

在這種設(shè)計下，每個新增請求都會先放到第一個隊列，算法和Elevator的方式一樣，同時也會增加到讀或者寫隊列的尾端。這樣首先處理一些第一隊列的請求，同時檢測第二/三隊列前幾個請求是否等了太長時間，如果已經(jīng)超過一個閥值，就會去處理一下。這個閥值對于讀請求時 5ms， 對于寫請求時5s。

個人認(rèn)為對于記錄數(shù)據(jù)庫變更日志的分區(qū)，例如oracle 的online log， mysql 的binlog 等等，最好不要使用這種分區(qū)。因為這類寫請求通常是調(diào)用fsync 的。如果寫完不成，也會很影響應(yīng)用性能的。

4、ANTICIPATORY

CFQ和DEADLINE考慮的焦點(diǎn)在于滿足零散IO請求上。對于連續(xù)的IO請求，比如順序讀，并沒有做優(yōu)化。

為了滿足隨機(jī)IO和順序IO混合的場景，Linux還支持ANTICIPATORY調(diào)度算法。ANTICIPATORY的在DEADLINE的基礎(chǔ)上，為每個讀IO都設(shè)置了6ms的等待時間窗口。如果在這6ms內(nèi)OS收到了相鄰位置的讀IO請求，就可以立即滿足。

小結(jié)

IO調(diào)度器算法的選擇，既取決于硬件特征，也取決于應(yīng)用場景。

在傳統(tǒng)的SAS盤上，CFQ、DEADLINE、ANTICIPATORY都是不錯的選擇；對于專屬的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，DEADLINE的吞吐量和響應(yīng)時間都表現(xiàn)良好。

然而在新興的固態(tài)硬盤比如SSD、Fusion IO上，最簡單的NOOP反而可能是最好的算法，因為其他三個算法的優(yōu)化是基于縮短尋道時間的，而固態(tài)硬盤沒有所謂的尋道時間且IO響應(yīng)時間非常短。

編輯：黃飛

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