The Block IO Layer Rafael Lopes Bezerra Block

The Block I/O Layer Rafael Lopes Bezerra

Block I/O Dispositivos de Bloco: – Dispositivos de hardware que acessam aleatoriamente blocos de dados – Ex: Disquete, CD-ROM, HD l Dispositivo de Caracter: – Dispositivos que acessam dados sequenciamente, um byte após o outro – Ex: portas seriais, teclado l Gerenciar dispositivos de bloco no kernel requer mais trabalho. l Um sub-sistema dedicado ao gerenciamento de dispositivos de bloco é necessário. l

Anatomia de Um Dispositivo de Bloco l l l Menor unidade endereçável: setor Tipicamente 512 bytes O dispositivo não pode endereçar ou operar em uma unidade menor que o setor. Software impõe sua própria unidade lógica endereçável, o bloco. Um bloco é uma abstração do sistema de arquivos e só pode ser acessado em múltiplos de blocos.

Anatomia de Um Dispositivo de Bloco O kernel realiza todas as operações de disco em termos de bloco. l Um bloco não pode ser menor que um setor e nem maior que uma página. Tipicamente possui 512 bytes, 1 kilobyte e 4 kilobytes. l O bloco precisa ser um múltiplo de um setor, uma vez que um setor é a menor unidade do dispositivo. l

Anatomia de Um Dispositivo de Bloco

Buffer l l l Quando um bloco é armazenado na memória é guardado no buffer. Cada buffer é associado com um bloco. Cada página pode conter um ou mais blocos na memória. O kernel requer alguma informação acompanhando o dado, por isso cada bloco é associado a um descritor. O descritor contém todas as informações necessárias para manipular buffers.

Buffer Head struct buffer_head { unsigned long b_state; /* buffer state flags */ atomic_t b_count; /* buffer usage counter */ struct buffer_head *b_this_page; /* buffers using this page */ struct page *b_page; /* page storing this buffer */ sector_t b_blocknr; /* logical block number */ u 32 b_size; /* block size (in bytes) */ char *b_data; /* buffer in the page */ struct block_device *b_bdev; /* device where block resides */ bh_end_io_t *b_end_io; /* I/O completion method */ void *b_private; /* data for completion method */ struct list_head b_assoc_buffers; /* list of associated mappings */ };

Buffer Head Status BH_Uptodate BH_Dirty BH_Lock BH_Req BH_Mapped BH_New BH_Async_Read BH_Async_Write BH_Delay BH_Boundary Flag Meaning Buffer contém dados válidos Buffer está sujo Buffer está realizando disk I/O e está bloqueado Buffer está envolvidocom um I/O request Buffer está mapeado em um block no disco Buffer foi mapeado via get_block() e não foi ainda acessado Buffer está realizando leitura asíncrona de I/O via end_buffer_async_read() Buffer está realizando escrita asíncrona de I/O via end_buffer_async_write() Buffer ainda não está associado a um bloco no disco Buffer forma o limite de blocos contíguo

Buffer Head Antes do kernel 2. 6 o cabeçalho do Buffer era a estrutura de dados mais importante. Basicamente, era a unidade de E/S no kernel. l O cabeçalho do buffer não descrevia somente o mapeamento do bloco do disco para a página física, mas também agia como um contêiner usado para toda E/S do bloco. Isso tinha dois problemas básicos: 1º) O cabeçalho do buffer era uma estrutura de dados grande e difícil (O kernel prefere trabalhar em termos de páginas, que são simples e permitem um maior desempenho); 2º) O cabeçalho do buffer quando usado como um contêiner para todas as operações de E/S, faz com que o kernel divida as operações de E/S do bloco em diversas estruturas buffer_head, isso resulta em um overhead desnecessário e no consumo do espaço l

Estrutura Bio O principal propósito da estrutura Bio é representar operações block I/O que estão ativas. l Um segmento é uma porção de um buffer contínuo na memória. l Utilizando a estrutura bio o kernel pode realizar operações de block I/O de um buffer de diferentes partes da memória. l

Estrutura Bio struct bio { sector_t bi_sector; /* associated sector on disk */ struct bio *bi_next; /* list of requests */ struct block_device *bi_bdev; /* associated block device */ unsigned long bi_flags; /* status and command flags */ unsigned long bi_rw; /* read or write? */ unsigned short bi_vcnt; /* number of bio_vecs off */ unsigned short bi_idx; /* current index in bi_io_vec */ unsigned short bi_phys_segments; /* number of segments after coalescing */ unsigned short bi_hw_segments; /* number of segments after remapping */ unsigned int bi_size; /* I/O count */ unsigned int bi_hw_front_size; /* size of the first mergeable segment */ unsigned int bi_hw_back_size; /* size of the last mergeable segment */ unsigned int bi_max_vecs; /* maximum bio_vecs possible */ struct bio_vec *bi_io_vec; /* bio_vec list */ bio_end_io_t *bi_end_io; /* I/O completion method */ atomic_t bi_cnt; /* usage counter */ void *bi_private; /* owner-private method */ bio_destructor_t *bi_destructor; /* destructor method */

Bio_vec l As estruturas bio_vec são usadas como listas de segmentos individuais e descrevem um segmento através da página física, a localização do bloco como um offset para a página e o tamanho do bloco. struct bio_vec { /* pointer to the physical page on which this buffer resides */ struct page *bv_page; /* the length in bytes of this buffer */ unsigned int bv_len; /* the byte offset within the page where the buffer resides */ unsigned int bv_offset; };

Estrutura Bio

Buffer Head x Bio l Cabeçalhos do Buffer: – Representa um único buffer, que descreve um único bloco no disco, – São ligados a um único bloco do disco em uma única página, resultando na divisão desnecessária das solicitações em partes do tamanho do bloco; – É requerido para funcionar como um descritor mapeando os blocos do disco para as páginas. l Estrutura bio: – Representa uma operação E/S, que pode incluir uma ou mais páginas na memória; – É mais leve e pode descrever blocos descontínuos e não divide desnecessariamente as operações de E/S – Não contém nenhuma informação sobre o estado do buffer

Buffer Head x Bio l Buffer Head ainda é necessário: contém informações para o buffer, mapeia blocos para páginas l Bio: descreve operações ativas, não contém informações sobre o estado de um buffer

Filas de Solicitação l l l Os dispositivos de bloco mantêm filas de solicitação para armazenar suas solicitações de E/S do bloco pendente; São representadas pela estrutura request_queue e é definida em <linux. blkdev. h> Contém uma lista de solicitações e informações de controle associadas (as solicitações são adicionadas á fila pelo código de nível mais alto no kernel como os sistemas de arquivos); A fila de solicitação não estando vazia, o driver do dispositivo de bloco associado á fila obterá o cabeçalho da fila e irá envia-lo para seu dispositivo de bloco associado. Cada item na lista de solicitação da fila é uma solicitação do tipo struct request

Schedulers de E/S Funciona gerenciando a fila de solicitação de um dispositivo de bloco; l Gerencia a fila de solicitação, decidindo a ordem das solicitações e em qual hora cada solicitação é enviada para o dispositivo de bloco; l Executa duas ações para minimizar as buscas: l – Mescla: É a combinação de duas ou mais solicitações em uma – Classificação Não deve ser confundido com o scheduler do processo. O sheduler do processo divide o recurso do processador entre os processos no sistema. l Exemplo de schedulers de E/S: Elevador Linus (era o scheduler de E/S default no 2. 4). l

Elevador Linus l Quando um pedido é adicionado à fila, 4 operações são possíveis: 1. Se um pedido para um setor adjacente está na fila, mescla 2. Se um pedido na fila está velho, o novo pedido vai para o final da fila 3. Se existe um lugar possível de inserção na fila(um lugar na fila onde o novo pedido entra entre pedidos existentes), então é inserido lá 4. Final da fila

Deadline I/O Scheduler Tenta prevenir o starvation causado pelo Elevador Linus l Lista ordenada pela localização física l “writes starving reads” – Operações de escrita são assíncronas – Operações de leitura são síncronas (a aplicação é bloqueada até ter o resultado) Latência de escrita é muito importante para a performance do sistema l Cada pedido é associado com um tempo de expiração l Fila de pedidos de escrita x fila de pedidos de leitura l

Deadline I/O Scheduler

Anticipatory I/O Scheduler O Deadline Scheduler melhora a latência de leitura, porém piora o throughtput global l Normalmente vários pedidos de leitura acontecem juntos => O Anticipatory espera algum tempo após atender um pedido de leitura antes de voltar a atender outros pedidos l O Scheduler armazena estatisticas para melhorar a antecipação l É o Scheduler default do Linux l

Complete Fair Queuing I/O Scheduler l Cada processo possui uma fila, e as filas são ordenadas por setor l Dentro de cada fila os pedidos são mesclados l As filas são servidas Round-Robin

Noop I/O Scheduler Não realiza um classificação l Não precisa implementar algoritmos para reduzir a latência de pedidos como os anteriores l Mescla pedidos próximos l Projetado para ser utilizado por dispositivos aleatórios que não tem overhead procurando o local no disco l

Seleção do Scheduler O Anticipatory é o default l Pode ser mudado na opção boot-time elevator=nome na linha de comando do kernel l – – as = Anticipatory cfq = Complete Fair Queuing deadline = Dealine noop = Noop