5. Организация ввода/вывода

В Windows Seven.

Система ввода/вывода исполнительной системы - это часть кода ОС, получающая запросы ввода/вывода от процессов пользовательского режима и передающая их, в преобразованном виде, устройствам ввода/вывода. Между сервисами пользовательского режима и аппаратурой ввода/вывода располагается несколько отдельных системных компонентов, включая законченные файловые системы, многочисленные драйверы устройств и драйверы сетевых транспортов. Система ввода/вывода управляется пакетами запроса ввода/вывода (I/O Request Packet, IRP). Каждый запрос ввода/вывода представляется в виде пакета IRP во время его перехода от одной компоненты системы ввода/вывода к другой. IRP - это структура данных, управляющая обработкой операции ввода/вывода на каждой стадии ее выполнения.

В систему ввода/вывода входят следующие компоненты:

1. Диспетчер ввода/вывода (I/O manager). Реализует средства ввода/вывода, не зависящие от типа устройства, и устанавливает модель для ввода/вывода исполнительной системы. Диспетчер ввода/вывода осуществляет создание, чтение, запись, установку и получение информации, и многие другие операции над файловыми объектами. Диспетчер ввода/вывода реализует асинхронную подсистему ввода/вывода, основанную на передаче пакетов запроса ввода/вывода (I/O Request Packet, IRP). Диспетчер ввода/ вывода также отвечает за поддержку и обеспечение операционной среды для драйверов.

2. Файловые системы. Драйверы, принимающие запросы файлового ввода/вывода и транслирующие их в запросы, привязанные к конкретному устройству. Сюда же входят сетевые файловые системы, состоящие из двух компонентов: сетевого редиректора (network redirector), реализуемого как драйвер файловой системы и передающего удаленные запросы ввода/вывода на машины в сети, и сетевого сервера (network server), являющегося обычным драйвером, принимающим и обрабатывающим такие запросы.

3. Сетевые драйверы, которые могут загружаться в ОС и рассматриваться как часть системы ввода/вывода.

4. Драйверы устройств. Низкоуровневые драйверы, напрямую работающие с оборудованием.

Диспетчер ввода/вывода (I/O manager) определяет порядок, по которому запросы ввода/вывода доставляются драйверам. В обязанности диспетчера входит:

1. Получение запроса на ввод/вывод и создание пакета IRP.

2. Передача IRP соответствующему драйверу. Драйвер, получив IRP, выполняет указанную в нем операцию ввода/вывода, и, либо возвращает его диспетчеру ввода/ вывода для завершения обработки, либо передает другому драйверу для продолжения операции ввода/вывода.

3. Сопровождение IRP по стеку драйверов.

4. Завершение IRP по окончании операции ввода/вывода и возвращение результатов обработки инициатору запроса ввода/вывода.

5. Также диспетчер ввода/вывода реализует общие процедуры, к которым обращаются драйверы во время обработки ввода/вывода, и предоставляет системные сервисы, позволяющие защищенным подсистемам реализовать свои API ввода/вывода.

В Linux Ubuntu 10.04 LTS.

Практически все приложения на Linux Ubuntu 10.04 LTS используют какие-либо операции ввода-вывода. Даже такое с виду простое занятие как веб-серфинг производит большое количество маленьких файлов, которые записываются на диск. Без планировщик, каждый раз когда происходит запрос на ввод-вывод, происходило бы взаимодействие с ядром и такие операции бы выполнялись немедленно. Более того, может возникнуть такая ситуация, когда вы можете получить огромное количество запросов на ввод-вывод, которое (чтобы удовлетворить все запросы пользователя) заставит головки диска буквально метаться по нему стороны в сторону. Еще важнее то, что со временем разница между производительностью жестких дисков и остальной системы выросла очень быстро, что означает предъявление ещё больших требований к вводу-выводу для обеспечения общей высокой производительности системы. Так, когда ядро должно обслужить прерывание — приостанавливается работа всех остальных приложений. Поэтому, со стороны это может выглядеть как снижение отзывчивости системы или даже как замедление ее работы.

Планирование событий ввода-вывода несет в себе необходимость решения многих вопросов. К примеру, планировщику необходимо хранить поступившие запросы в специальной очереди. Каким образом он будет хранить эти события, возможно ли будет изменить порядок событий, сколько времени будут хранится эти события, будут ли выполняться все сохранённые события по достижению определенных условий или с какой-то периодичностью - все это очень важные аспекты работы планировщика. От того как именно реализованы перечисленные аспекты работы планировщика зависит общая производительность работы системы ввода-вывода и то, как воспринимается эта система пользователями.

Самое главное с чего следует начать при рассмотрении архитектуры планировщика или настройки существующих планировщиков — это определение назначения, функций и роли системы. Например, целевая система — рабочая станция, которая используется в основном для веб-серфинга, иногда для просмотра видео и/или прослушивания музыки, и может быть даже игр. Задача кажется простой, но тем не менее имеет свои подводные камни. Поэтому, если ваша целевая система представляет собой рабочую станцию, Вы возможно захотите как можно меньше задержек в ее работе и это имеет огромное влияние на алгоритм работы планировщика.

Одним из важных преимуществ, которое планирование ввода-вывода дает системе — является хранение различных событий в очереди и даже возможность ее (очереди) изменения для совершения отдельных операций ввода-вывода быстрее других. Поскольку скорость операций ввода-вывода может оказаться значительно медленнее, чем в других частей системы, перераспределение запросов на обращение к диску таким образом, чтобы минимизировать перемещение головок диска может повысить общую производительность работы системы. Новые файловые системы тоже могут работать с учетом некоторых из этих концепций, поэтому они вполне могут сами оптимизировать операции ввода-вывода с точки зрения скорости работы устройства хранения данных. Вы даже можете путем настройки самого планировщика эффективнее адаптировать систему к необычным свойствам SSD (твердотельные накопители не имеют головок чтения-записи по сравнению с традиционными жесткими дисками). Есть несколько типичных методов, которые используются планировщиками ввода-вывода: Слияние запросов: в рамках этой техники, запросы на чтение-запись схожего назначения объединяются для сокращения количества дисковых операций и увеличение длительности системных вызовов ввода-вывода (что, как правило, приводит к повышению производительности самого ввода-вывода).

«Алгоритм лифта»: Запросы ввода-вывода упорядочиваются исходя из физического размещения данных на диске таким образом, чтобы головки диска как можно больше перемещались в одном направлении и как можно более упорядоченно.

Переупорядочение запросов: Эта техника переупорядочивает запросы на основе их приоритета. Алгоритм реализации данной техники зависит от конкретного планировщика.

Кроме того, почти все планировщики ввода-вывода учитывают фактор «ресурсного голодания», поэтому в итоге будут обслужены все запросы.

В настоящее время в Linux Ubuntu 10.04 LTS существует четыре планировщика ввода-вывода:

• NOOP

• Anticipatory

• Deadline

• CFQ (Completely Fair Queuing — алгоритм полностью честной очереди)

Планировщик NOOP

Планировщик NOOP (no-operate) является самым простым. Он помещает все входящие запросы ввода-вывода в простой буфер типа FIFO (First-In, First-Out — первый вошел, первый вышел) и затем просто запускает их на исполнение. Заметим, что это происходит для всех процессов, существующих в системе, независимо от типа запросов ввода-вывода (чтение, запись, поиск необходимой дорожки т.д.). Также он выполняет нечто подобное слиянию запросов.

Планировщик NOOP использует минимальное количество инструкций процессора на операцию ввода-вывода для выполнения простейшей функциональности: слияние и сортировка запросов. Данный планировщик предполагает, что сами устройства хранения данных будут оптимизировать быстродействие операций ввода-вывода.

Потенциально, планировщик NOOP будет хорошо работать с устройствами хранения данных, которые не имеют механических частей для чтения данных (т.е. головок диска). Причина кроется в том, что данный планировщик не делает никаких попыток оптимизировать движение головок, выполняя простейшее слияние запросов, что также помогает повышению пропускной способности диска.

Планировщик Anticipatory.

Anticipatory IO Scheduler (Предполагающий планировщик), как следует из названия, пытается предположить к каким блокам диска будут выполнены следующие запросы. Он выполняет слияние запросов, простейший однонаправленный алгоритм лифта, объединение запросов на чтение и запись. После того как планировщик обслужил запрос на чтение-запись, он предполагает, что следующий запрос будет для последующего блока, приостанавливаясь на небольшое количество времени. Если такой запрос поступает, то он обслуживается очень быстро, поскольку головки диска находятся в нужном месте. Такой подход привносит незначительное замедление в работу системы ввода-вывода по причине необходимости ожидания следующего запроса. Однако этот недостаток может быть компенсирован увеличением производительности запросов к соседним областям диска.

Планировщик DeadLine.

Deadline IO Scheduler (планировщик предельных сроков) был написан Дженсом Аксбо, широко известным разработчиком ядра.

Основополагающим принципом его работы является гарантированное время запуска запросов ввода-вывода на обслуживание. Он сочетает в себе такие возможности как слияние запросов, однонаправленный алгоритм лифта и устанавливает предельный срок на обслуживание всех запросов (отсюда и такое название). Он поддерживает две специальные «очереди сроков выполнения» (deadline queues) в дополнение к двум отдельным «отсортированным очередям» на чтение и запись (sorted queues). Задания в очереди сроков выполнения сортируются по времени исполнения запросов по принципу «меньшее время — более раннее обслуживание — ближе к началу очереди». Очереди на чтение и запись сортируются на основе запрашиваемого ими номера сектора (алгоритм лифта). Данный планировщик действительно помогает пропускной способности в случаях чтения с секторов с большим номером блока. Операции чтения могут иногда заблокировать приложения, поскольку пока они выполняются, приложения ждут их завершения. С другой стороны, операции записи могут выполняться гораздо быстрее, поскольку они производятся в дисковый кэш. Более медленные операции чтения с внешних областей диска перемещаются к концу очереди, а более быстрые операции чтения с более близких областей поступят на обслуживание раньше. Такой алгоритм планировщика позволяет быстрее обслужить все запросы на чтение-запись, даже если существуют запросы на чтение с дальних областей диска.

Планировщик CFQ.

CFQ (Completely Fair Queue — планировщик с полностью честной очередью) IO scheduler в настоящее время является планировщиком по умолчанию в ядре Linux Ubuntu 10.04 LTS. Он использует и слияние запросов и алгоритм лифта. При работе CFQ синхронно размещает запросы на ввод-вывод от процессов в ряд очередей на каждый процесс (per-process queues). Затем он выделяет отрезки времени (timeslices) для каждой очереди на доступ к диску. Длина отрезков времени и количество запросов в очереди, которые будут обслужены, зависит от приоритета ввода-вывода конкретного процесса. Асинхронные запросы от всех процессов объединяются в несколько очередей по одной на каждый приоритет. Дженс Аксбо (Jens Axboe) является автором планировщика CFQ и включает то, что Дженс называет "алгоритмом лифта Линуса". Добавление данной возможности произошло при необходимости внесения функций для предотвращения «голодания процессов» в наиболее неблагоприятной ситуации, которая может произойти при чтении со внешних дорожек диска.

CFQ предоставляет пользователям (процессам) конкретного устройства хранения данных необходимое количество запросов ввода-вывода для определённого промежутка времени. Это сделано для многопользовательских систем, так как все пользователи в таких системах получат один и тот же уровень отклика. Более того, CFQ достигает некоторых из характеристик anticipatory scheduler по хорошей пропускной способности, поскольку позволяет обслуживаемой очереди простаивать какое-то время по завершению выполнения запроса на ввод-вывод в ожидании запроса, который может оказаться близким к только что выполненному запросу.

Вывод.

В Windows Seven для организации ввода/вывода используется I/O Manager, а в Linux Ubuntu планировщик CFQ. В обязанности I/O Manager входит множество функций, таких как создание, чтение, запись и множество других операции над файлами, реализация подсистемы ввода/вывода и многое другое. Тогда как планировщик CFQ отвечает только за организацию системы ввода/вывода. Это дает ему ряд преимуществ над I/O Manager, так как он более ни на что не отвлекается, кроме как организацию ввода/вывода. Также этот планировщик достигает довольно хорошей пропускной способности за счет использования слияния запросов и алгоритма лифта. На основание этих доводов можно сделать вывод, что именно для организации ввода/вывода CFQ лучше, чем I/O Manager. Но у I/O Manager есть масса дополнительный функции, которых нет в CFQ, что позволяет ему работать с более широким кругом задач.