前言

Linux I/O 調(diào)度器是Linux內(nèi)核中的一個(gè)組成部分，用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)整這個(gè)調(diào)度器來(lái)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(chǔ)器來(lái)設(shè)置Linux I/O 調(diào)度器從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)性能。

Linux I/O 系統(tǒng)簡(jiǎn)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(xiě)一些數(shù)據(jù)時(shí)，并不是請(qǐng)求一發(fā)出，內(nèi)核便立即執(zhí)行該請(qǐng)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(guò)。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(lái)自通用塊層的請(qǐng)求，試圖合并請(qǐng)求，并找到最合適的請(qǐng)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(lái)響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)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(zhuān)門(mén)用來(lái)適配各種文件系統(tǒng)，并對(duì)外提供統(tǒng)一操作接口。
2. 磁盤(pán)緩存：磁盤(pán)緩存是一種將磁盤(pán)上的一些數(shù)據(jù)保留著RAM中的軟件機(jī)制，這使得對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)的訪問(wèn)可以得到更快的響應(yīng)。磁盤(pán)緩存在Linux中有三種類(lèi)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(lái)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(lèi)似vfs層的塊設(shè)備操作抽象層。下層對(duì)接各種不同屬性的塊設(shè)備，對(duì)上提供統(tǒng)一的Block IO請(qǐng)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(pán)設(shè)備，所以有必要根據(jù)這類(lèi)設(shè)備的特點(diǎn)以及應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)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(duì)外提供高級(jí)的設(shè)備操作接口。
7. 物理硬盤(pán)：這層就是具體的物理設(shè)備。

5種類(lèi)型的Linux I/O調(diào)度器

Linux 從2.4內(nèi)核開(kāi)始支持I/O調(diào)度器,到目前為止有5種類(lèi)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(jiǎn)單介紹：

1 Linus Elevator

在2.4 內(nèi)核中它是***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(xún)請(qǐng)求，當(dāng)內(nèi)核收到一個(gè)新請(qǐng)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(méi)有合適的位置插入，就放到請(qǐng)求隊(duì)列的***。

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(qǐng)求I/O操作，則將產(chǎn)生一個(gè)默認(rèn)的6毫秒猜測(cè)時(shí)間，猜測(cè)下一個(gè)進(jìn)程請(qǐng)求I/O是要干什么的。這個(gè)I/O調(diào)度器對(duì)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(guò)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(duì)Linus Elevator的一種改進(jìn)，它避免有些請(qǐng)求太長(zhǎng)時(shí)間不能被處理。另外可以區(qū)分對(duì)待讀操作和寫(xiě)操作。DEADLINE額外分別為讀I/O和寫(xiě)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(chēng)Completely Fair Scheduler ，中文名稱(chēng)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(qǐng)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(wèn)磁盤(pán)。對(duì)于通用的服務(wù)器是***的選擇,CFQ均勻地分布對(duì)I/O帶寬的訪問(wèn)。CFQ為每個(gè)進(jìn)程和線(xiàn)程,單***建一個(gè)隊(duì)列來(lái)管理該進(jìn)程所產(chǎn)生的請(qǐng)求,以此來(lái)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(qǐng)求。該算法的特點(diǎn)是按照I/O請(qǐng)求的地址進(jìn)行排序，而不是按照先來(lái)后到的順序來(lái)進(jìn)行響應(yīng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是給所有同步進(jìn)程分配時(shí)間片，然后才排隊(duì)訪問(wèn)磁盤(pán)，CFQ的工作流程如圖 3 所示 。

圖3 CFQ的工作流程

5 NOOP

NOOP全稱(chēng)No Operation,中文名稱(chēng)電梯式調(diào)度器，該算法實(shí)現(xiàn)了最簡(jiǎn)單的FIFO隊(duì)列，所有I/O請(qǐng)求大致按照先來(lái)后到的順序進(jìn)行操作。NOOP實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的FIFO隊(duì)列,它像電梯的工作主法一樣對(duì)I/O請(qǐng)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(jiǎn)單的I/O 調(diào)度器。此調(diào)度程序最適合于固態(tài)硬盤(pán)。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(lái)說(shuō)Deadline適用于大多數(shù)環(huán)境,特別是寫(xiě)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(pán)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(qǐng)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(kù)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(hù)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(duì)于閃存設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)是***的選擇。對(duì)于固態(tài)硬盤(pán)來(lái)說(shuō)使用NOOP是***的，DeadLine次之，而CFQ效率***。

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(gè)部分，一個(gè)是查看Linux系統(tǒng)整體使用的I/O調(diào)度器，另一個(gè)是查看某磁盤(pán)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：

清單 1. 查看當(dāng)前系統(tǒng)支持的I/O調(diào)度器

# dmesg | grep -i scheduler 
[    1.508820] io scheduler noop registered 
[    1.508827] io scheduler deadline registered 
[    1.508850] io scheduler cfq registered (default) 

清單1的代碼顯示cfq是目前的I/O調(diào)度器。

查看某塊硬盤(pán)的IO調(diào)度算法I/O調(diào)度器，使用如下命令：

清單2. 查看一個(gè)硬盤(pán)使用的I/O調(diào)度器

# cat /sys/block/sda/queue/scheduler 
noop deadline [cfq] 

清單2顯示當(dāng)前使用的調(diào)度器是cfq，就是括號(hào)括起來(lái)的那一個(gè)。

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：

使用shell命令

Linux下更改的I/O調(diào)度器很簡(jiǎn)單。不需要更新內(nèi)核，可以使用shell命令修改：

清單3. 查使用shell命令

#echo noop > /sys/block/sdb/queue/scheduler 

清單3的命令把noop設(shè)置為一個(gè)磁盤(pán)的I/O調(diào)度器，你可以隨時(shí)更改而無(wú)需重啟計(jì)算機(jī)。

***修改默認(rèn)的I/O調(diào)度器

使用shell命令修改I/O調(diào)度器，只是臨時(shí)修改，系統(tǒng)重啟后，修改的調(diào)度器就會(huì)失效，要想修改默認(rèn)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：

清單4.使用grubby命令

# grubby --grub --update-kernel=ALL --args="elevator=deadline" 

清單4的命令，通過(guò)設(shè)置內(nèi)核加載參數(shù), 這樣當(dāng)機(jī)器重啟的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)把所有設(shè)備的 I/O調(diào)度器變成 DeadLine 。

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(guò)修改grub配置文件，系統(tǒng)自動(dòng)把所有設(shè)備的 I/O調(diào)度器變成cfq。操作過(guò)程如下：

清單5 使用vi編輯器修改grub配置文件

#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(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即可。

總結(jié)

Linux I/O調(diào)度器是 Linux 內(nèi)核中的一個(gè)組成部分，用戶(hù)可以通過(guò)根據(jù)不同的存儲(chǔ)器來(lái)設(shè)置 Linux I/O 調(diào)度器從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)性能。 一般來(lái)說(shuō) NOOP 調(diào)度器最適合于固態(tài)硬盤(pán)，DeadLine 調(diào)度器適用于寫(xiě)入較多的文件服務(wù)器，比如Web服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)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。