The Block I/O Layer

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 • Dispositivo de Caracter: • Dispositivos que acessam dados sequenciamente, um byte após o outro • Ex: portas seriais, teclado • Gerenciar dispositivos de bloco no kernel requer mais trabalho. • Um sub-sistema dedicado ao gerenciamento de dispositivos de bloco é necessário.

Anatomia de Um Dispositivo de Bloco • 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. • Um bloco não pode ser menor que um setor e nem maior que uma página. Tipicamente possui 512 bytes, 1 kilobyte e 4 kilobytes. • O bloco precisa ser um múltiplo de um setor, uma vez que um setor é a menor unidade do dispositivo.

Anatomia de Um Dispositivo de Bloco

Buffer • 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 */ u32 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 Flag Meaning BH_Uptodate Buffer contém dados válidos BH_Dirty Buffer está sujo BH_Lock Buffer está realizando disk I/O e está bloqueado BH_Req Buffer está envolvidocom um I/O request BH_Mapped Buffer está mapeado em um block no disco BH_New Buffer foi mapeado via get_block() e não foi ainda acessado BH_Async_Read Buffer está realizando leitura asíncrona de I/O via end_buffer_async_read() BH_Async_Write Buffer está realizando escrita asíncrona de I/O via end_buffer_async_write() BH_Delay Buffer ainda não está associado a um bloco no disco BH_Boundary 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. • 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

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

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

Filas de Solicitação • 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; • Gerencia a fila de solicitação, decidindo a ordem das solicitações e em qual hora cada solicitação é enviada para o dispositivo de bloco; • Executa duas ações para minimizar as buscas: • 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. • Exemplo de schedulers de E/S: Elevador Linus (era o scheduler de E/S default no 2.4).

Elevador Linus • Quando um pedido é adicionado à fila, 4 operações são possíveis: • Se um pedido para um setor adjacente está na fila, mescla • Se um pedido na fila está velho, o novo pedido vai para o final da fila • 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 • Final da fila

Deadline I/O Scheduler • Tenta prevenir o starvation causado pelo Elevador Linus • Lista ordenada pela localização física • “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 • Cada pedido é associado com um tempo de expiração • Fila de pedidos de escrita x fila de pedidos de leitura

Deadline I/O Scheduler

Anticipatory I/O Scheduler • O Deadline Scheduler melhora a latência de leitura, porém piora o throughtput global • 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 • O Scheduler armazena estatisticas para melhorar a antecipação • É o Scheduler default do Linux

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

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

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

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