The Block I/O LayerThe Block I/O Layer

Rafael Lopes Bezerra

Block I/OBlock 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 BlocoAnatomia 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 BlocoAnatomia 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 BlocoAnatomia de Um Dispositivo de Bloco

BufferBuffer

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 HeadBuffer 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 HeadBuffer Head

Status Flag MeaningBH_Uptodate Buffer contém dados válidosBH_Dirty Buffer está sujoBH_Lock Buffer está realizando disk I/O e está bloqueadoBH_Req Buffer está envolvidocom um I/O requestBH_Mapped Buffer está mapeado em um block no discoBH_New Buffer foi mapeado via get_block() e não foi

ainda acessadoBH_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

discoBH_Boundary Buffer forma o limite de blocos contíguo

Buffer HeadBuffer 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 BioEstrutura 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 BioEstrutura Biostruct 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_vecBio_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 BioEstrutura Bio

Buffer Head x BioBuffer 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 BioBuffer 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 SolicitaçãoFilas 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/SSchedulers 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 LinusElevador Linus

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 SchedulerDeadline 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 SchedulerDeadline I/O Scheduler

Anticipatory I/O SchedulerAnticipatory 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 Complete Fair Queuing I/O SchedulerSchedulerCada processo possui uma fila, e as

filas são ordenadas por setorDentro de cada fila os pedidos são

mescladosAs filas são servidas Round-Robin

Noop I/O SchedulerNoop 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 SchedulerSeleção 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