1. 버퍼 헤드
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블록 장치는 고정된 크기의 데이터에 임의 접근하는 플래시 메모리 같은 HW 장치를 의미한다.
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블록 장치가 물리적으로 접근하는 최소 단위는 섹터(sector, 약 512-byte)고, 논리적으로 접근하는 최소 단위는 블록(Block)이며 섹터 크기의 배수다.
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디스크 상의 ‘블록’이 메모리 상에 나타나려면 객체 역할을 하는 ‘버퍼’가 필요하다.
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커널은 버퍼가 어느 블록 장치의 어떤 블록에 해당하는지 등의 관련 제어 정보를 ‘버퍼 헤드’(buffer_head) 구조체를 사용해서 저장하고 표현하며
<linux/buffer_head.h>에 정의돼있다.// https://github.com/torvalds/linux/blob/f2e8a57ee9036c7d5443382b6c3c09b51a92ec7e/include/linux/buffer_head.h#L59/** Historically, a buffer_head was used to map a single block* within a page, and of course as the unit of I/O through the* filesystem and block layers. Nowadays the basic I/O unit* is the bio, and buffer_heads are used for extracting block* mappings (via a get_block_t call), for tracking state within* a page (via a page_mapping) and for wrapping bio submission* for backward compatibility reasons (e.g. submit_bh).*/struct buffer_head {unsigned long b_state; /* 해당 버퍼의 현재 상태를 의미하며 여러 플래그 중 하나의 값을 가진다. (see above) */struct buffer_head *b_this_page;/* circular list of page's buffers */union {struct page *b_page; /* the page this bh is mapped to */struct folio *b_folio; /* the folio this bh is mapped to */};sector_t b_blocknr; /* start block number */size_t b_size; /* 블록의 길이(크기) */char *b_data; /* 버퍼가 가리키는 블록 */struct block_device *b_bdev;bh_end_io_t *b_end_io; /* I/O completion */void *b_private; /* reserved for b_end_io */struct list_head b_assoc_buffers; /* associated with another mapping */struct address_space *b_assoc_map; /* mapping this buffer isassociated with */atomic_t b_count; /* 버퍼의 사용 횟수를 의미한다. get_bh(), put_bh() 함수로 증감한다. */spinlock_t b_uptodate_lock; /* Used by the first bh in a page, to* serialise IO completion of other* buffers in the page */}; -
커널 2.6 버전 이전의 버퍼 헤드는 훨씬 크고 모든 블록 I/O 동작까지 책임지는 더 중요한 역할을 맡았다. 하지만, 버퍼 헤드로 블록 I/O를 하는 것은 크고 어려운 작업이었고, 페이지 관점에서 I/O를 하는 것이 보다 간단하고 더 좋은 성능을 보여줬으며, 페이지보다 작은 버퍼를 기술하기 위해 커다란 버퍼 헤드 자료구조를 사용하는 것은 비효율적이었다.
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따라서 커널 2.6 버전 이후로 버퍼 헤드는 크게 간소화 됐으며, 상당수 커널 작업이 버퍼 대신 페이지와 주소 공간을 직접 다루는 방식으로 바뀌었다.
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지금의 버퍼 헤드는 디스크 블록과 메모리의 페이지를 연결시켜주는 서술자 역할을 한다.
2. bio 구조체
- 거대한 버퍼 헤드의 기능이 간소화되며 블록 I/O 동작은
<linux/bio.h>의 bio 구조체가 담당한다.
// https://litux.nl/mirror/kerneldevelopment/0672327201/ch13lev1sec3.htmlstruct 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 구조체는 scatter-gather I/O 방식을 사용하므로 개별 버퍼가 메모리 상에 연속되지 않더라도 bio_io_vec 이라는 세그먼트 리스트로 연결해서 표현한다.
3. 요청 큐 (Request Queue)
- 블록 장치는 대기 중인 블록 I/O 요청을 요청 큐에 저장한다.
- 요청 큐는
<linux/blkdev.h>의 request_queue 구조체를 사용해 표현한다.
// https://github.com/torvalds/linux/blob/f2e8a57ee9036c7d5443382b6c3c09b51a92ec7e/include/linux/blkdev.h#L378struct request_queue { struct request *last_merge; struct elevator_queue *elevator;
struct percpu_ref q_usage_counter;
struct blk_queue_stats *stats; struct rq_qos *rq_qos; struct mutex rq_qos_mutex;
const struct blk_mq_ops *mq_ops;
/* sw queues */ struct blk_mq_ctx __percpu *queue_ctx;
unsigned int queue_depth;
/* hw dispatch queues */ struct xarray hctx_table; unsigned int nr_hw_queues;
/* * The queue owner gets to use this for whatever they like. * ll_rw_blk doesn't touch it. */ void *queuedata;
/* * various queue flags, see QUEUE_* below */ unsigned long queue_flags; /* * Number of contexts that have called blk_set_pm_only(). If this * counter is above zero then only RQF_PM requests are processed. */ atomic_t pm_only;
/* * ida allocated id for this queue. Used to index queues from * ioctx. */ int id;
spinlock_t queue_lock;
struct gendisk *disk;
refcount_t refs;
/* * mq queue kobject */ struct kobject *mq_kobj;
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY struct blk_integrity integrity;#endif /* CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY */
#ifdef CONFIG_PM struct device *dev; enum rpm_status rpm_status;#endif
/* * queue settings */ unsigned long nr_requests; /* Max # of requests */
unsigned int dma_pad_mask;
#ifdef CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION struct blk_crypto_profile *crypto_profile; struct kobject *crypto_kobject;#endif
unsigned int rq_timeout;
struct timer_list timeout; struct work_struct timeout_work;
atomic_t nr_active_requests_shared_tags;
struct blk_mq_tags *sched_shared_tags;
struct list_head icq_list;#ifdef CONFIG_BLK_CGROUP DECLARE_BITMAP (blkcg_pols, BLKCG_MAX_POLS); struct blkcg_gq *root_blkg; struct list_head blkg_list; struct mutex blkcg_mutex;#endif
struct queue_limits limits;
unsigned int required_elevator_features;
int node;#ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE struct blk_trace __rcu *blk_trace;#endif /* * for flush operations */ struct blk_flush_queue *fq; struct list_head flush_list;
struct list_head requeue_list; spinlock_t requeue_lock; struct delayed_work requeue_work;
struct mutex sysfs_lock; struct mutex sysfs_dir_lock;
/* * for reusing dead hctx instance in case of updating * nr_hw_queues */ struct list_head unused_hctx_list; spinlock_t unused_hctx_lock;
int mq_freeze_depth;
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_THROTTLING /* Throttle data */ struct throtl_data *td;#endif struct rcu_head rcu_head; wait_queue_head_t mq_freeze_wq; /* * Protect concurrent access to q_usage_counter by * percpu_ref_kill() and percpu_ref_reinit(). */ struct mutex mq_freeze_lock;
int quiesce_depth;
struct blk_mq_tag_set *tag_set; struct list_head tag_set_list;
struct dentry *debugfs_dir; struct dentry *sched_debugfs_dir; struct dentry *rqos_debugfs_dir; /* * Serializes all debugfs metadata operations using the above dentries. */ struct mutex debugfs_mutex;
bool mq_sysfs_init_done;};-
request_queue와 request 그리고 bio와 bio_vec 사이의 복잡한 구조를 도식화한 그림이다.
- 요청 큐 request_queue 구조체에는 여러 블록 I/O 요청인 request 구조체가 들어있고,
- 각 request는 (블록 I/O의 동작을 의미하는) 하나 이상의 bio 구조체를 멤버로 가지고 있고,
- 각 bio 구조체는 bio_vec 배열을 가리키며 이 배열에는 여러 세그먼트가 들어 있을 수 있다.
4. 입출력 스케줄러
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커널은 블록 I/O 요청을 받자마자 바로 요청 큐로 보내지 않고, 입출력 스케줄러로 대기 중인 블록 I/O 요청들 중 병합할 수 있는 건 합치고 정렬해서 디스크 탐색시간을 최소화 해 시스템 성능을 크게 개선한다.
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요쳥 A가 접근하려는 섹터와 요청 B가 접근하려는 섹터가 인접하다면, 합쳐서 하나의 I/O 요청으로 만드는 것이 효율적이다. 한 번의 명령으로 추가 탐색 없이 여러 개의 요청을 처리할 수 있다.
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병합할 수 있는 요청이 없을 때, 요청 큐 맨 끝에 넣는 것보다, 물리적으로 가까운 섹터에 접근하는 다른 요청 근처에 정렬해 추가한다면 효율적이다.
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입출력 스케줄러 알고리즘은 우리의 일상생활 속의 ‘엘리베이터 알고리즘’과 상당히 흡사해 실제로 커널 2.4 버전까지 ‘리누스 엘리베이터’라는 이름으로 불렸다.
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리눅스 커널 2.6 버전은 4가지 입출력 스케줄러 알고리즘을 제공한다.
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데드라인 (Deadline)
- 대부분의 사용자는 쓰기보다 읽기 성능에 민감하다. 어떤 읽기 요청 하나가 미처리 상태에 머물면 정체 시스템 지연 시간이 어마어마하게 커질 것이다.
- 이름 그대로 각 요청에 ‘만료 시간’을 설정한다. 읽기 요청은 0.5초, 쓰기 요청은 5초다.
- 데드라인 방식은 요청 큐로 FIFO 큐를 사용하는데, 쓰기 FIFO 큐나 읽기 FIFO 큐의 맨 앞 요청이 만료되면 해당 요청을 가장 우선으로 처리한다.
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예측 (Anticipatory)
- 데드라인 방식은 우수한 읽기 성능을 보장하지만 이는 전체 성능 저하의 대가를 감수한 것이다.
- 예측 방식은 데드라인을 기반으로 휴리스틱하게 동작한다.
- 읽기 요청이 발생하면 스케줄러는 요청을 처리한 뒤 바로 다른 요청을 처리하러 가지만, 예측 방식에선 수 ms 동안 아무 일도 하지 않는다.
- 이 시간 동안 사용자로부터 다른 읽기 요청이 계속해서 들어오고, 병합되고, 정렬된다.
- 대기 시간이 지난 뒤에 스케줄러는 다시 돌아가서 이전 요청 처리를 계속한다.
- 한 번에 많은 읽기 요청을 처리하기 위해 요청이 추가로 더 들어올 것을 예측하면서 수 ms를 아무것도 안 하고 가만히 있는 이 전략은 의외로 성능을 크게 증가시켰다.
- 특히, 스케줄러는 여러 입출력 양상 통계값과 휴리스틱을 이용해 애플리케이션과 파일시스템의 동작을 예측해 읽기 요청을 처리하기 때문에 필요한 탐색 시간을 허비하는 일을 크게 줄일 수 있었다.
- 이 스케줄러는 서버에 이상적인 스케줄러다.
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완전 공정 큐 (Completely Fair Queueing)
- 현재 리눅스의 기본 입출력 스케줄러로, 여러 부하 조건에서 가장 좋은 성능을 보여준다.
- 입출력 요청을 각 프로세스 별로 할당한 큐에 저장하고, 병합하고, 정렬한다.
- 각 요청 큐들 사이에서는 round-robin 방식으로 순서대로 미리 설정된 개수(기본값 4개)의 요청을 꺼내 처리한다.
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무동작 (Noop)
- 플래시 메모리와 같이 완벽하게 random-access가 가능한 블록 장치를 위한 스케줄러다.
- 병합만 하고 정렬이나 기타 탐색 시간 절약을 위한 어떤 동작도 수행하지 않는다.
참고
