Linux塊設備中的IO路徑及調度策略是什么

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當文件系統通過submit_bio提交IO之后，請求就進入了通用塊層。通用塊層會對IO進行一些預處理的動作，其目的是為了保證請求能夠更加合理的發送到底層的磁盤設備，盡量保證性能。這里面比較重要的就是IO調度模塊。大家可能都聽說過CFQ，除此之前還有DeadLine和Noop等，這些都是磁盤的調度算法。其中CFQ調度算法用的最多。

如果忽略塊設備的層疊結構和各種映射，簡化的結構大概有3層，如圖1所示。這里的3層并非都是軟件，還包含硬件。通用塊層就不用多說了，這里主要完成IO的合并和調度等操作。其下是驅動層，驅動層是硬件的驅動程序，用于將IO請求轉換為對硬件寄存器的操作(注：不同的塊設備又有差異，必然iSCSI設備是不會有寄存器操作的)。物理設備不同該驅動層的程序就不同，比如對于SAS直連的磁盤，該驅動層的程序就是SAS驅動，而如果是FC-HBA卡連接的FC-SAN，那么這個驅動層就是FC驅動(比如Qlogic的驅動)。

圖1 塊設備分層

最下面一層是設備層，設備層通常是一個硬件設備。這里的硬件種類繁多，比如SAS卡、SATA卡、FC-HBA卡或者iSCSI-HBA卡等等。但有的時候又可能并不是硬件設備，比如對于iSCSI來說，該層可能是通過軟件模擬的一個設備層，而其請求則是通過網卡發送到目標器端。

主要數據結構及流程

絕大多數程序都是由數據結構和算法2部分內容組成的，數據結構相當于程序的骨架，而算法則是程序的筋和肉。通過算法將數據結構關聯起來，從而形成一個完整的整體。人類認識問題的規律是從具體到抽象，從簡單到復雜，因此我們先從數據結構開始。理解了數據關鍵的數據結構，那我們就能更加容易的理解塊設備IO的整個邏輯。

在塊設備IO中最為關鍵的數據結構是request_queue，也就是請求隊列。該數據結構的簡圖如圖2所示，這個數據結構本身非常復雜，我們這里進行了簡化，只保留了部分關鍵的成員。如圖彩色部分是2個函數指針，分別用于接收請求和處理請求。

圖2 請求隊列數據結構

為了便于理解，我們這里舉一個例子。以NBD塊設備為例，在塊設備初始化的時候make_request_fn被初始化為blk_queue_bio，request_fn被初始化為do_nbd_request。對于SCSI塊設備而言，request_fn會被初始化為scsi_request_fn。

有了上面數據結構的知識及關鍵成員初始化的結果，接下來我們就可以分析一下塊設備的整個流程的細節。塊設備請求的入口是submit_bio，經過簡單的檢查后調用

由上述代碼可以看出IO處理的入口函數其實是函數指針make_request_fn，而我們知道該指針實際上是函數blk_queue_bio。因此塊設備的請求會由blk_queue_bio函數進行處理。

磁盤調度策略

Linux內核在設計磁盤的調度策略時提供了極大的靈活性。磁盤的調度策略以插件的注冊到內核當中，也就是用戶可以自由的選擇磁盤的調度策略。

調度算法的思想其實非常簡單，主要是通過對IO的排序、合并和批量處理來優化磁盤尋道和請求的處理時間。這里值得說明的目前的調度算法其實更多的是針對機械磁盤，因為機械磁盤磁頭定位耗時占整個IO處理時間的很大比例。當然對于SSD磁盤，調度算法也有一定的幫助，這就需要針對IO的特性具體來看了。

圖3 調度策略結構體

磁盤調度策略的結構體定義如圖3所示，各個變量的含義也是比較明確，本文不再贅述。本文主要看一下  其中elevator_ops類型的變量ops，這個變量是調度策略具體的功能實現，任何調度算法都要實現其中某些函數。

調度策略的實現就是通過這些回調函數完成的。為了理解調度策略的函數集具體做哪些事情，本文整理了一個表格，我們先從整體上看一下每個函數具體做了哪些事情。對于調度策略來說，這里的函數并非每個都要實現，下表中只有帶*的才是必須要實現的函數。

簡而言之，上述回調函數的功能就是判斷請求是否可以被合并、執行合并和請求下發等等操作。上述回調函數比較多，而且使用場景也比較復雜，具體使用分散在調度器的很多流程中。因此，我們很難一下子介紹清楚所有的場景。為了更加直觀的理解上述回調函數的作用，我們以Deadline調度策略為例進行簡單的介紹。

如圖4是Deadline初始化的回調函數，從圖中可以看出這里并沒有初始化所有的回調函數，而只初始化了16個回調函數中的9個。

圖4 Deadline回調函數

我們具體分析一下函數的調用場景，前文我們介紹到elevator_merge_fn函數用于查詢可以與bio合并的請求。如圖5所示為整個調用棧，入口為blk_queue_bio，這個函數我們之前介紹過，它就是調度程序的入口。該函數調用elv_merge用于查找是否有可以合并的請求，并返回。而elv_merge函數調用的正式Deadline調度器提供的回調函數。完成判斷后，該函數會根據實際情況返回請求(或者沒有找到，不返回)和可合并的方向(例如向前合并，向后合并等)，后續流程就是進行具體的合并操作了。

圖5 函數調用棧

以上就是關于“Linux塊設備中的IO路徑及調度策略是什么”這篇文章的內容，相信大家都有了一定的了解，希望小編分享的內容對大家有幫助，若想了解更多相關的知識內容，請關注億速云行業資訊頻道。