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在Linux系統(tǒng)中，進(jìn)程占用IO的問題是很常見的。當(dāng)進(jìn)程占用了過多的IO資源時(shí)，會導(dǎo)致系統(tǒng)變慢，甚至崩潰。因此，是非常重要的。本文將介紹常見的解決方法。
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1. 使用iostat分析IO情況
iostat是一個(gè)常用的IO性能分析工具，它可以分析IO吞吐量、IO延遲和IO負(fù)載等指標(biāo)。使用iostat可以幫助我們了解系統(tǒng)的IO使用情況，從而判斷是否存在進(jìn)程占用IO的問題。
使用iostat需要安裝sysstat包。在Ubuntu系統(tǒng)中，可以通過以下命令安裝：
“`
sudo apt-get update
sudo apt-get install sysstat
“`
安裝完成后，可以使用以下命令查看IO情況：
“`
iostat -x 1
“`
該命令會每隔1秒輸出一次IO情況?？梢杂^察每個(gè)設(shè)備的平均IO響應(yīng)時(shí)間（awt）、IO利用率（util）等指標(biāo)，判斷是否存在進(jìn)程占用IO的問題。
2. 使用lsof查找占用文件的進(jìn)程
lsof是一個(gè)常用的文件列表命令，可以列出系統(tǒng)中打開的文件和進(jìn)程信息。使用lsof可以查找哪個(gè)進(jìn)程占用了某個(gè)文件或目錄。
例如，以下命令可以查找占用/dev/sda1文件系統(tǒng)的進(jìn)程：
“`
sudo lsof /dev/sda1
“`
如果該命令返回結(jié)果，則說明存在占用/dev/sda1的進(jìn)程。通過查找占用文件的進(jìn)程，我們可以定位占用IO資源的進(jìn)程，從而采取相應(yīng)的措施。
3. 使用ionice限制進(jìn)程IO優(yōu)先級
ionice是一個(gè)用于限制進(jìn)程IO優(yōu)先級的工具。使用ionice可以調(diào)整進(jìn)程對IO資源的使用權(quán)，從而避免某個(gè)進(jìn)程占用過多的IO資源導(dǎo)致系統(tǒng)變慢。
ionice有三個(gè)命令：-c、-n和-p。其中，-c指定調(diào)度策略，可以是idle、batch、best-effort或realtime；-n指定IO優(yōu)先級，可以是0到7的整數(shù)；-p指定進(jìn)程ID。
例如，以下命令可以將進(jìn)程ID為1234的進(jìn)程的IO優(yōu)先級調(diào)整為3：
“`
sudo ionice -c3 -p1234
“`
通過調(diào)整進(jìn)程IO優(yōu)先級，我們可以控制進(jìn)程對IO資源的使用權(quán)，從而避免占用過多的IO資源。
4. 使用cgroups限制進(jìn)程IO資源
cgroups是Linux內(nèi)核提供的一種資源限制機(jī)制，可以限制進(jìn)程的CPU、內(nèi)存、IO等資源使用。使用cgroups可以限制某個(gè)進(jìn)程的IO資源使用，避免進(jìn)程占用過多的IO資源導(dǎo)致系統(tǒng)變慢。
在Ubuntu系統(tǒng)中，可以通過以下命令安裝cgroups：
“`
sudo apt-get update
sudo apt-get install cgroup-tools
“`
安裝完成后，可以使用以下命令創(chuàng)建一個(gè)名為test的cgroup，并限制該cgroup中的進(jìn)程IO速率為50M/s：
“`
sudo cgcreate -g blkio:test
sudo cgset -r blkio.throttle.read_bps_device=/dev/sda1 50M test
“`
該命令會創(chuàng)建一個(gè)名為test的cgroup，并限制該cgroup中的進(jìn)程在/dev/sda1設(shè)備上的讀IO速率為50M/s。如果某個(gè)進(jìn)程被加入到test cgroup，則其IO速率將被限制。
通過使用cgroups，我們可以靈活地限制進(jìn)程的IO資源使用，從而避免進(jìn)程占用過多的IO資源導(dǎo)致系統(tǒng)變慢。
是非常重要的。本文介紹了常見的解決方法，包括使用iostat分析IO情況、使用lsof查找占用文件的進(jìn)程、使用ionice限制進(jìn)程IO優(yōu)先級和使用cgroups限制進(jìn)程IO資源。通過采取合適的措施，我們可以避免進(jìn)程占用過多的IO資源，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- linux查看磁盤io的幾種方法
- 如何提高Linux下塊設(shè)備IO的整體性能
linux查看磁盤io的幾種方法
linux查看磁盤io的幾種方法
怎樣才能快速的定位到并發(fā)高是由于磁盤io開銷大呢?可以通過三種方式：
之一種：用 top 命令 中的cpu 信息觀察
Top可以看到的cpu信息有：
Tasks: 29 total, 1 running, 28 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
Cpu(s): 0.3% us, 1.0% sy, 0.0% ni, 98.7% id, 0.0% wa, 0.0% hi, 0.0% si
具體的解釋如下：
Tasks: 29 total 進(jìn)程總數(shù)
1 running 正在運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)
28 sleeping 睡眠的進(jìn)程數(shù)
0 stopped 停止的進(jìn)程數(shù)
0 zombie 僵尸進(jìn)程數(shù)
Cpu(s):
0.3% us 用戶空間占用CPU百分比
1.0% sy 內(nèi)核空間占用CPU百分比
0.0% ni 用戶進(jìn)程空間內(nèi)改變過優(yōu)先級的進(jìn)程占用CPU百分比
98.7% id 空閑CPU百分比
0.0% wa 等待輸入輸出的CPU時(shí)間百分比
0.0% hi
0.0% si
0.0% wa 的百分比可以大致的體現(xiàn)出當(dāng)前的磁盤io請求是否頻繁。如果 wa的數(shù)量比較大，說明等待輸入輸出的的io比較多。
第二種：用vmstat
vmstat 命令報(bào)告關(guān)于線程、
虛擬內(nèi)存
、磁盤、陷阱和 CPU 活動的統(tǒng)計(jì)信息。由 vmstat 命令生成的報(bào)告可以用于平衡系統(tǒng)負(fù)載活動。系統(tǒng)范圍內(nèi)的這些統(tǒng)計(jì)信息(所有的處理器中)都計(jì)算出以百分比表示的
平均值
，或者計(jì)算其總和。
輸入命令：
vmstat 2 5
如果發(fā)現(xiàn)等待的進(jìn)程和處在非中斷睡眠狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)非常多，并且發(fā)送到塊設(shè)備的塊數(shù)和從塊設(shè)備接收到的塊數(shù)非常大，那就說明磁盤隱緩io比較多。
vmstat參數(shù)解釋：
Procs
r: 等待運(yùn)行的進(jìn)程數(shù) b: 處在非中斷睡眠狀態(tài)的進(jìn)程數(shù) w: 被交換出去的可運(yùn)行的進(jìn)程慧信數(shù)。此數(shù)由 linux 計(jì)算得出，但 linux 并不耗盡交換空間
Memory
swpd: 虛擬內(nèi)存使用情況，單位：KB
free: 空閑的內(nèi)存，單位KB
buff: 被用來做為緩存的內(nèi)存數(shù)，單位：KB
Swap
si: 從磁盤交換到內(nèi)存的交換頁數(shù)量，單位：KB/秒
so: 從內(nèi)存交換到磁盤的灶碧模交換頁數(shù)量，單位：KB/秒
IO
bi: 發(fā)送到塊設(shè)備的塊數(shù)，單位：塊/秒
bo: 從塊設(shè)備接收到的塊數(shù)，單位：塊/秒
System
in: 每秒的中斷數(shù)，包括時(shí)鐘中斷
cs: 每秒的環(huán)境(上下文)切換次數(shù)
CPU
按 CPU 的總使用百分比來顯示
us: CPU 使用時(shí)間
sy: CPU 系統(tǒng)使用時(shí)間
id: 閑置時(shí)間
準(zhǔn)測
更多vmstat使用信息
第二種：用iostat
安裝:
Iostat 是 sysstat 工具集的一個(gè)工具，需要安裝。
Centos的安裝方式是：
yum install sysstat
Ubuntu的安裝方式是：
aptitude install sysstat
使用：
iostat -dx 顯示磁盤擴(kuò)展信息
root@fileapp:~# iostat -dx
r/s 和 w/s 分別是每秒的讀操作和寫操作，而rKB/s 和wKB/s 列以每秒千字節(jié)為單位顯示了讀和寫的數(shù)據(jù)量
如果這兩對數(shù)據(jù)值都很高的話說明磁盤io操作是很頻繁。
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++
linux wa%過高，iostat查看io狀況
1, 安裝 iostat
yum install sysstat
之后就可以使用 iostat 命令了，
2，入門使用
iostat -d -k 2
參數(shù) -d 表示，顯示設(shè)備（磁盤）使用狀態(tài)；-k某些使用block為單位的列強(qiáng)制使用Kilobytes為單位；2表示，數(shù)據(jù)顯示每隔2秒刷新一次。
tps：該設(shè)備每秒的傳輸次數(shù)（Indicate the number of transfers per second that were issued to the device.）?！币淮蝹鬏敗币馑际恰币淮蜪/O請求”。多個(gè)邏輯請求可能會被合并為”一次I/O請求”?！币淮蝹鬏敗闭埱蟮拇笮∈俏粗?。kB_read/s：每秒從設(shè)備（drive expressed）讀取的數(shù)據(jù)量；
kB_wrtn/s：每秒向設(shè)備（drive expressed）寫入的數(shù)據(jù)量；
kB_read：讀取的總數(shù)據(jù)量；kB_wrtn：寫入的總數(shù)量數(shù)據(jù)量；這些單位都為Kilobytes。
指定監(jiān)控的設(shè)備名稱為sda，該命令的輸出結(jié)果和上面命令完全相同。
iostat -d sda 2
默認(rèn)監(jiān)控所有的硬盤設(shè)備，現(xiàn)在指定只監(jiān)控sda。
3, -x 參數(shù)
iostat還有一個(gè)比較常用的選項(xiàng) -x ，該選項(xiàng)將用于顯示和io相關(guān)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)。
iostat -d -x -k 1 10
輸出信息的含義
。
4, 常見用法
iostat -d -k#查看TPS和
吞吐量
信息(磁盤讀寫速度單位為KB)
iostat -d -m#查看TPS和吞吐量信息(磁盤讀寫速度單位為MB)
iostat -d -x -k#查看設(shè)備使用率（%util）、響應(yīng)時(shí)間（await） iostat -c 1 10 #查看cpu狀態(tài)
5, 實(shí)例分析
iostat -d -k 1 | grep vda
Device:tps kB_read/s kB_wrtn/s kB_read kB_wrtn
sda60…
sda99…
sda83…
sda18…
sda46…
sda27…
上面看到，磁盤每秒傳輸次數(shù)平均約400；每秒磁盤讀取約5MB，寫入約1MB。
iostat -d -x -k 1
Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util
sda.56 28.31 7.84 31……..80 2.61 10.29
sda.98 24.75 419.80 6……..70 2.00 85.25
sda.06 41.84 444.90 54……..21 1.85 92.24
可以看到磁盤的平均響應(yīng)時(shí)間80。磁盤響應(yīng)正常，但是已經(jīng)很繁忙了。
可以看到磁盤的平均響應(yīng)時(shí)間90。磁盤響應(yīng)正常，但是已經(jīng)很繁忙了。
await： 每一個(gè)IO請求的處理的平均時(shí)間（單位是微秒毫秒）。這里可以理解為IO的響應(yīng)時(shí)間，一般地系統(tǒng)IO響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該低于5ms，如果大于10ms就比較大了
svctm 表示平均每次設(shè)備I/O操作的服務(wù)時(shí)間（以毫秒為單位）。如果svctm的值與await很接近，表示幾乎沒有I/O等待，磁盤性能很好，
如果await的值遠(yuǎn)高于svctm的值，則表示I/O隊(duì)列等待太長， 系統(tǒng)上運(yùn)行的
應(yīng)用程序
將變慢。
%util： 在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)所有處理IO時(shí)間，除以總共統(tǒng)計(jì)時(shí)間
所以該參數(shù)暗示了設(shè)備的繁忙程度
。一般地，如果該參數(shù)是100%表示設(shè)備已經(jīng)接近滿負(fù)荷運(yùn)行了（當(dāng)然如果是多磁盤，即使%util是100%，因?yàn)榇疟P的并發(fā)能力，所以磁盤使用未必就到了瓶頸）。
也可以使用下面的命令，同時(shí)顯示cpu和磁盤的使用情況
等待時(shí)間超過5ms, 磁盤io有問題
如何提高Linux下塊設(shè)備IO的整體性能
前言：本文主要講解Linux IO調(diào)度層的三種模式：cfp、deadline和noop，并給出各自的優(yōu)化和適用場景建議掘歷。
IO調(diào)度發(fā)生在Linux內(nèi)核的IO調(diào)度層。租檔這個(gè)層次是針對Linux的整體IO層次體系來說的。從read()或者write()系統(tǒng)調(diào)用的角度來說，Linux整體IO體系可以分為七層，它們分別是：
VFS層： 虛擬文件系統(tǒng)層。由于內(nèi)核要跟多種文件系統(tǒng)打交道，而每一種文件系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)方法都可能不盡相同，所以，內(nèi)核抽象了這一層，專門用來適配各種文件系統(tǒng)，并對外提供統(tǒng)一操作接口。
文件系統(tǒng)層： 不同的文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自己的操作過程，提供自己特有的特征，具體不多說了，大家愿意的話自己去看代碼即可。
頁緩存層： 負(fù)責(zé)真對page的緩存。
通用塊層： 由于絕大多數(shù)情況的io操作是跟塊設(shè)備打交道，所以Linux在此提供了一個(gè)類似vfs層的塊設(shè)備操作抽象層。下層對接各種不同屬性的塊設(shè)備，對上提供統(tǒng)一的Block IO請求標(biāo)準(zhǔn)。
IO調(diào)度層 ：因?yàn)榻^大多數(shù)的塊設(shè)備都是類似磁盤這樣的設(shè)備，所以有必要根據(jù)這類設(shè)備的特點(diǎn)以及應(yīng)用的不同特點(diǎn)來設(shè)置一些不同的調(diào)度算法和隊(duì)列。以便在不同的應(yīng)用環(huán)境下有針對性的提高磁盤的讀寫效率，這里就是大名鼎鼎的Linux電梯所起作用的地方。針對機(jī)械硬盤的各種調(diào)度方法就是在這實(shí)現(xiàn)的。
塊設(shè)備驅(qū)動層： 驅(qū)動層對外提供相對比較高級的設(shè)備操作接口，往往是C語言的，而下層對接設(shè)備本身的操作方法和規(guī)范。
塊設(shè)備層： 這層就是具體的物理設(shè)備了，定義了各種真對設(shè)備操作方法和規(guī)范。
有一個(gè)已經(jīng)整理好的，非常經(jīng)典，一圖勝千言：
我們今天要研究的內(nèi)容主要在IO調(diào)度這一層。
它要解決的核心問題是，如何提高塊設(shè)備IO的整體性能？這一層也主要是針對機(jī)械硬盤結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的。
眾所周知，機(jī)械硬盤的存儲介質(zhì)是磁盤，磁頭在盤片上移動進(jìn)行磁道尋址，行為類似播放一張唱片。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，順序訪問時(shí)吞吐量較高，但是如果一旦對盤片有隨機(jī)訪問，那么大量的時(shí)間都會浪費(fèi)在磁頭的移動上，這時(shí)候就會導(dǎo)致每次IO的響應(yīng)時(shí)間變長，極大的降低IO的響應(yīng)速度。
磁頭在盤片上尋道的操作，類似電梯調(diào)度，實(shí)際上在最開始的時(shí)期，Linux把這個(gè)算法命名為Linux電梯算法，即：
如果在尋道的過程中，能把順序路過的相關(guān)磁道的數(shù)據(jù)請求都“順便”處理掉，那么就可以在比較小影響響應(yīng)速度的前提下，提高整體IO的吞吐量。
這就是我們?yōu)槭裁匆O(shè)計(jì)IO調(diào)度算法的原因。
目前在內(nèi)核中默認(rèn)開啟了三種算法/模式：noop，cfq和deadline。嚴(yán)格算應(yīng)該是兩種：
因?yàn)橹环N叫做noop，就是空操作調(diào)度算法，也就是沒有任何調(diào)度操作，并不對io請求進(jìn)行排序，僅僅做適當(dāng)?shù)膇o合并的一個(gè)fifo隊(duì)列。
目前內(nèi)核中默認(rèn)的調(diào)度算法應(yīng)該是cfq，叫做完全公平隊(duì)列調(diào)度。這個(gè)調(diào)度算法人如其名，它試圖給所有進(jìn)程提供一個(gè)完全公平的IO操作環(huán)境。
注：請大家一定記住這個(gè)詞語，cfq，完全公平隊(duì)列調(diào)度，不然下文就沒法看了。
cfq為每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)同步IO調(diào)度隊(duì)列，并默認(rèn)以時(shí)間片和請求數(shù)限定的方式分配IO資源，以此保證每個(gè)進(jìn)程的IO資源占用是公平的，cfq還實(shí)現(xiàn)了針對進(jìn)程級別的優(yōu)先級調(diào)度，這個(gè)我們后面會詳細(xì)解釋。
查看和修改IO調(diào)度算法的方法是：
cfq是通用服務(wù)器比較好的IO調(diào)度算法選擇，對桌面用戶也是比較好的選擇。
但是對于很多IO壓力較大的場景就并不是判型搜很適應(yīng)，尤其是IO壓力集中在某些進(jìn)程上的場景。
因?yàn)檫@種場景我們需要更多的滿足某個(gè)或者某幾個(gè)進(jìn)程的IO響應(yīng)速度，而不是讓所有的進(jìn)程公平的使用IO，比如數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。
deadline調(diào)度（最終期限調(diào)度）就是更適合上述場景的解決方案。deadline實(shí)現(xiàn)了四個(gè)隊(duì)列：
其中兩個(gè)分別處理正常read和write，按扇區(qū)號排序，進(jìn)行正常io的合并處理以提高吞吐量。因?yàn)镮O請求可能會集中在某些磁盤位置，這樣會導(dǎo)致新來的請求一直被合并，可能會有其他磁盤位置的io請求被餓死。
另外兩個(gè)處理超時(shí)read和write的隊(duì)列，按請求創(chuàng)建時(shí)間排序，如果有超時(shí)的請求出現(xiàn)，就放進(jìn)這兩個(gè)隊(duì)列，調(diào)度算法保證超時(shí)（達(dá)到最終期限時(shí)間）的隊(duì)列中的請求會優(yōu)先被處理，防止請求被餓死。
不久前，內(nèi)核還是默認(rèn)標(biāo)配四種算法，還有一種叫做as的算法（Anticipatory scheduler），預(yù)測調(diào)度算法。一個(gè)高大上的名字，搞得我一度認(rèn)為Linux內(nèi)核都會算命了。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無非是在基于deadline算法做io調(diào)度的之前等一小會時(shí)間，如果這段時(shí)間內(nèi)有可以合并的io請求到來，就可以合并處理，提高deadline調(diào)度的在順序讀寫情況下的數(shù)據(jù)吞吐量。
其實(shí)這根本不是啥預(yù)測，我覺得不如叫撞大運(yùn)調(diào)度算法，當(dāng)然這種策略在某些特定場景差效果不錯(cuò)。
但是在大多數(shù)場景下，這個(gè)調(diào)度不僅沒有提高吞吐量，還降低了響應(yīng)速度，所以內(nèi)核干脆把它從默認(rèn)配置里刪除了。畢竟Linux的宗旨是實(shí)用，而我們也就不再這個(gè)調(diào)度算法上多費(fèi)口舌了。
1、cfq：完全公平隊(duì)列調(diào)度
cfq是內(nèi)核默認(rèn)選擇的IO調(diào)度隊(duì)列，它在桌面應(yīng)用場景以及大多數(shù)常見應(yīng)用場景下都是很好的選擇。
如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)所謂的完全公平隊(duì)列（Completely Fair Queueing）？
首先我們要理解所謂的公平是對誰的公平？從操作系統(tǒng)的角度來說，產(chǎn)生操作行為的主體都是進(jìn)程，所以這里的公平是針對每個(gè)進(jìn)程而言的，我們要試圖讓進(jìn)程可以公平的占用IO資源。
那么如何讓進(jìn)程公平的占用IO資源？我們需要先理解什么是IO資源。當(dāng)我們衡量一個(gè)IO資源的時(shí)候，一般喜歡用的是兩個(gè)單位，一個(gè)是數(shù)據(jù)讀寫的帶寬，另一個(gè)是數(shù)據(jù)讀寫的IOPS。
帶寬就是以時(shí)間為單位的讀寫數(shù)據(jù)量，比如，100Mbyte/s。而IOPS是以時(shí)間為單位的讀寫次數(shù)。在不同的讀寫情境下，這兩個(gè)單位的表現(xiàn)可能不一樣，但是可以確定的是，兩個(gè)單位的任何一個(gè)達(dá)到了性能上限，都會成為IO的瓶頸。
從機(jī)械硬盤的結(jié)構(gòu)考慮，如果讀寫是順序讀寫，那么IO的表現(xiàn)是可以通過比較少的IOPS達(dá)到較大的帶寬，因?yàn)榭梢院喜⒑芏郔O，也可以通過預(yù)讀等方式加速數(shù)據(jù)讀取效率。
當(dāng)IO的表現(xiàn)是偏向于隨機(jī)讀寫的時(shí)候，那么IOPS就會變得更大，IO的請求的合并可能性下降，當(dāng)每次io請求數(shù)據(jù)越少的時(shí)候，帶寬表現(xiàn)就會越低。
從這里我們可以理解，針對進(jìn)程的IO資源的主要表現(xiàn)形式有兩個(gè)： 進(jìn)程在單位時(shí)間內(nèi)提交的IO請求個(gè)數(shù)和進(jìn)程占用IO的帶寬。
其實(shí)無論哪個(gè)，都是跟進(jìn)程分配的IO處理時(shí)間長度緊密相關(guān)的。
有時(shí)業(yè)務(wù)可以在較少IOPS的情況下占用較大帶寬，另外一些則可能在較大IOPS的情況下占用較少帶寬，所以對進(jìn)程占用IO的時(shí)間進(jìn)行調(diào)度才是相對最公平的。
即，我不管你是IOPS高還是帶寬占用高，到了時(shí)間咱就換下一個(gè)進(jìn)程處理，你愛咋樣咋樣。
所以，cfq就是試圖給所有進(jìn)程分配等同的塊設(shè)備使用的時(shí)間片，進(jìn)程在時(shí)間片內(nèi)，可以將產(chǎn)生的IO請求提交給塊設(shè)備進(jìn)行處理，時(shí)間片結(jié)束，進(jìn)程的請求將排進(jìn)它自己的隊(duì)列，等待下次調(diào)度的時(shí)候進(jìn)行處理。這就是cfq的基本原理。
當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)生活中不可能有真正的“公平”，常見的應(yīng)用場景下，我們很肯能需要人為的對進(jìn)程的IO占用進(jìn)行人為指定優(yōu)先級，這就像對進(jìn)程的CPU占用設(shè)置優(yōu)先級的概念一樣。
所以，除了針對時(shí)間片進(jìn)行公平隊(duì)列調(diào)度外，cfq還提供了優(yōu)先級支持。每個(gè)進(jìn)程都可以設(shè)置一個(gè)IO優(yōu)先級，cfq會根據(jù)這個(gè)優(yōu)先級的設(shè)置情況作為調(diào)度時(shí)的重要參考因素。
優(yōu)先級首先分成三大類：RT、BE、IDLE，它們分別是實(shí)時(shí)（Real Time）、更佳效果（Best Try）和閑置（Idle）三個(gè)類別，對每個(gè)類別的IO，cfq都使用不同的策略進(jìn)行處理。另外，RT和BE類別中，分別又再劃分了8個(gè)子優(yōu)先級實(shí)現(xiàn)更細(xì)節(jié)的QOS需求，而IDLE只有一個(gè)子優(yōu)先級。
另外，我們都知道內(nèi)核默認(rèn)對存儲的讀寫都是經(jīng)過緩存（buffer/cache）的，在這種情況下，cfq是無法區(qū)分當(dāng)前處理的請求是來自哪一個(gè)進(jìn)程的。
只有在進(jìn)程使用同步方式（sync read或者sync wirte）或者直接IO（Direct IO）方式進(jìn)行讀寫的時(shí)候，cfq才能區(qū)分出IO請求來自哪個(gè)進(jìn)程。
所以，除了針對每個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的IO隊(duì)列以外，還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)公共的隊(duì)列用來處理異步請求。
當(dāng)前內(nèi)核已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了針對IO資源的cgroup資源隔離，所以在以上體系的基礎(chǔ)上，cfq也實(shí)現(xiàn)了針對cgroup的調(diào)度支持。
總的來說，cfq用了一系列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以上所有復(fù)雜功能的支持，大家可以通過源代碼看到其相關(guān)實(shí)現(xiàn)，文件在源代碼目錄下的block/cfq-iosched.c。
1.1 cfq設(shè)計(jì)原理
在此，我們對整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做一個(gè)簡要描述：首先，cfq通過一個(gè)叫做cfq_data的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)維護(hù)了整個(gè)調(diào)度器流程。在一個(gè)支持了cgroup功能的cfq中，全部進(jìn)程被分成了若干個(gè)contral group進(jìn)行管理。
每個(gè)cgroup在cfq中都有一個(gè)cfq_group的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，所有的cgroup都被作為一個(gè)調(diào)度對象放進(jìn)一個(gè)紅黑樹中，并以vdisktime為key進(jìn)行排序。
vdisktime這個(gè)時(shí)間紀(jì)錄的是當(dāng)前cgroup所占用的io時(shí)間，每次對cgroup進(jìn)行調(diào)度時(shí)，總是通過紅黑樹選擇當(dāng)前vdisktime時(shí)間最少的cgroup進(jìn)行處理，以保證所有cgroups之間的IO資源占用“公平”。
當(dāng)然我們知道，cgroup是可以對blkio進(jìn)行資源比例分配的，其作用原理就是，分配比例大的cgroup占用vdisktime時(shí)間增長較慢，分配比例小的vdisktime時(shí)間增長較快，快慢與分配比例成正比。
這樣就做到了不同的cgroup分配的IO比例不一樣，并且在cfq的角度看來依然是“公平“的。
選擇好了需要處理的cgroup（cfq_group）之后，調(diào)度器需要決策選擇下一步的service_tree。
service_tree這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的都是一系列的紅黑樹，主要目的是用來實(shí)現(xiàn)請求優(yōu)先級分類的，就是RT、BE、IDLE的分類。每一個(gè)cfq_group都維護(hù)了7個(gè)service_trees，其定義如下：
其中service_tree_idle就是用來給IDLE類型的請求進(jìn)行排隊(duì)用的紅黑樹。
而上面二維數(shù)組，首先之一個(gè)維度針對RT和BE分別各實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)組，每一個(gè)數(shù)組中都維護(hù)了三個(gè)紅黑樹，分別對應(yīng)三種不同子類型的請求，分別是：SYNC、SYNC_NOIDLE以及ASYNC。
我們可以認(rèn)為SYNC相當(dāng)于SYNC_IDLE并與SYNC_NOIDLE對應(yīng)。idling是cfq在設(shè)計(jì)上為了盡量合并連續(xù)的IO請求以達(dá)到提高吞吐量的目的而加入的機(jī)制，我們可以理解為是一種“空轉(zhuǎn)”等待機(jī)制。
空轉(zhuǎn)是指，當(dāng)一個(gè)隊(duì)列處理一個(gè)請求結(jié)束后，會在發(fā)生調(diào)度之前空等一小會時(shí)間，如果下一個(gè)請求到來，則可以減少磁頭尋址，繼續(xù)處理順序的IO請求。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，cfq在service_tree這層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這實(shí)現(xiàn)了SYNC隊(duì)列，如果請求是同步順序請求，就入隊(duì)這個(gè)service tree，如果請求是同步隨機(jī)請求，則入隊(duì)SYNC_NOIDLE隊(duì)列，以判斷下一個(gè)請求是否是順序請求。
所有的異步寫操作請求將入隊(duì)ASYNC的service tree，并且針對這個(gè)隊(duì)列沒有空轉(zhuǎn)等待機(jī)制。
此外，cfq還對SSD這樣的硬盤有特殊調(diào)整，當(dāng)cfq發(fā)現(xiàn)存儲設(shè)備是一個(gè)ssd硬盤這樣的隊(duì)列深度更大的設(shè)備時(shí)，所有針對單獨(dú)隊(duì)列的空轉(zhuǎn)都將不生效，所有的IO請求都將入隊(duì)SYNC_NOIDLE這個(gè)service tree。
每一個(gè)service tree都對應(yīng)了若干個(gè)cfq_queue隊(duì)列，每個(gè)cfq_queue隊(duì)列對應(yīng)一個(gè)進(jìn)程，這個(gè)我們后續(xù)再詳細(xì)說明。
cfq_group還維護(hù)了一個(gè)在cgroup內(nèi)部所有進(jìn)程公用的異步IO請求隊(duì)列，其結(jié)構(gòu)如下：
異步請求也分成了RT、BE、IDLE這三類進(jìn)行處理，每一類對應(yīng)一個(gè)cfq_queue進(jìn)行排隊(duì)。
BE和RT也實(shí)現(xiàn)了優(yōu)先級的支持，每一個(gè)類型有IOPRIO_BE_NR這么多個(gè)優(yōu)先級，這個(gè)值定義為8，數(shù)組下標(biāo)為0-7。
我們目前分析的內(nèi)核代碼版本為Linux 4.4，可以看出，從cfq的角度來說，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)異步IO的cgroup支持了，我們需要定義一下這里所謂異步IO的含義，它僅僅表示從內(nèi)存的buffer/cache中的數(shù)據(jù)同步到硬盤的IO請求，而不是aio(man 7 aio)或者linux的native異步io以及l(fā)ibaio機(jī)制，實(shí)際上這些所謂的“異步”IO機(jī)制，在內(nèi)核中都是同步實(shí)現(xiàn)的（本質(zhì)上馮諾伊曼計(jì)算機(jī)沒有真正的“異步”機(jī)制）。
我們在上面已經(jīng)說明過，由于進(jìn)程正常情況下都是將數(shù)據(jù)先寫入buffer/cache，所以這種異步IO都是統(tǒng)一由cfq_group中的async請求隊(duì)列處理的。
那么為什么在上面的service_tree中還要實(shí)現(xiàn)和一個(gè)ASYNC的類型呢？
這當(dāng)然是為了支持區(qū)分進(jìn)程的異步IO并使之可以“完全公平”做準(zhǔn)備嘍。
實(shí)際上在最新的cgroup v2的blkio體系中，內(nèi)核已經(jīng)支持了針對buffer IO的cgroup限速支持，而以上這些可能容易混淆的一堆類型，都是在新的體系下需要用到的類型標(biāo)記。
新體系的復(fù)雜度更高了，功能也更加強(qiáng)大，但是大家先不要著急，正式的cgroup v2體系，在Linux 4.5發(fā)布的時(shí)候會正式跟大家見面。
我們繼續(xù)選擇service_tree的過程，三種優(yōu)先級類型的service_tree的選擇就是根據(jù)類型的優(yōu)先級來做選擇的，RT優(yōu)先級更高，BE其次，IDLE更低。就是說，RT里有，就會一直處理RT，RT沒了再處理BE。
每個(gè)service_tree對應(yīng)一個(gè)元素為cfq_queue排隊(duì)的紅黑樹，而每個(gè)cfq_queue就是內(nèi)核為進(jìn)程（線程）創(chuàng)建的請求隊(duì)列。
每一個(gè)cfq_queue都會維護(hù)一個(gè)rb_key的變量，這個(gè)變量實(shí)際上就是這個(gè)隊(duì)列的IO服務(wù)時(shí)間（service time）。
這里還是通過紅黑樹找到service time時(shí)間最短的那個(gè)cfq_queue進(jìn)行服務(wù)，以保證“完全公平”。
選擇好了cfq_queue之后，就要開始處理這個(gè)隊(duì)列里的IO請求了。這里的調(diào)度方式基本跟deadline類似。
cfq_queue會對進(jìn)入隊(duì)列的每一個(gè)請求進(jìn)行兩次入隊(duì)，一個(gè)放進(jìn)fifo中，另一個(gè)放進(jìn)按訪問扇區(qū)順序作為key的紅黑樹中。
默認(rèn)從紅黑樹中取請求進(jìn)行處理，當(dāng)請求的延時(shí)時(shí)間達(dá)到deadline時(shí)，就從紅黑樹中取等待時(shí)間最長的進(jìn)行處理，以保證請求不被餓死。
這就是整個(gè)cfq的調(diào)度流程，當(dāng)然其中還有很多細(xì)枝末節(jié)沒有交代，比如合并處理以及順序處理等等。
1.2 cfq的參數(shù)調(diào)整
理解整個(gè)調(diào)度流程有助于我們決策如何調(diào)整cfq的相關(guān)參數(shù)。所有cfq的可調(diào)參數(shù)都可以在/sys/class/block/sda/queue/iosched/目錄下找到，當(dāng)然，在你的系統(tǒng)上，請將sda替換為相應(yīng)的磁盤名稱。我們來看一下都有什么：
這些參數(shù)部分是跟機(jī)械硬盤磁頭尋道方式有關(guān)的，如果其說明你看不懂，請先補(bǔ)充相關(guān)知識：
back_seek_max:磁頭可以向后尋址的更大范圍，默認(rèn)值為16M。
back_seek_penalty:向后尋址的懲罰系數(shù)。這個(gè)值是跟向前尋址進(jìn)行比較的。
以上兩個(gè)是為了防止磁頭尋道發(fā)生抖動而導(dǎo)致尋址過慢而設(shè)置的?；舅悸肥沁@樣，一個(gè)io請求到來的時(shí)候，cfq會根據(jù)其尋址位置預(yù)估一下其磁頭尋道成本。
設(shè)置一個(gè)更大值back_seek_max，對于請求所訪問的扇區(qū)號在磁頭后方的請求，只要尋址范圍沒有超過這個(gè)值，cfq會像向前尋址的請求一樣處理它。
再設(shè)置一個(gè)評估成本的系數(shù)back_seek_penalty，相對于磁頭向前尋址，向后尋址的距離為1/2(1/back_seek_penalty)時(shí)，cfq認(rèn)為這兩個(gè)請求尋址的代價(jià)是相同。
這兩個(gè)參數(shù)實(shí)際上是cfq判斷請求合并處理的條件限制，凡事復(fù)合這個(gè)條件的請求，都會盡量在本次請求處理的時(shí)候一起合并處理。
fifo_expire_async:設(shè)置異步請求的超時(shí)時(shí)間。
同步請求和異步請求是區(qū)分不同隊(duì)列處理的，cfq在調(diào)度的時(shí)候一般情況都會優(yōu)先處理同步請求，之后再處理異步請求，除非異步請求符合上述合并處理的條件限制范圍內(nèi)。
當(dāng)本進(jìn)程的隊(duì)列被調(diào)度時(shí)，cfq會優(yōu)先檢查是否有異步請求超時(shí)，就是超過fifo_expire_async參數(shù)的限制。如果有，則優(yōu)先發(fā)送一個(gè)超時(shí)的請求，其余請求仍然按照優(yōu)先級以及扇區(qū)編號大小來處理。
fifo_expire_sync:這個(gè)參數(shù)跟上面的類似，區(qū)別是用來設(shè)置同步請求的超時(shí)時(shí)間。
slice_idle:參數(shù)設(shè)置了一個(gè)等待時(shí)間。這讓cfq在切換cfq_queue或service tree的時(shí)候等待一段時(shí)間，目的是提高機(jī)械硬盤的吞吐量。
一般情況下，來自同一個(gè)cfq_queue或者service tree的IO請求的尋址局部性更好，所以這樣可以減少磁盤的尋址次數(shù)。這個(gè)值在機(jī)械硬盤上默認(rèn)為非零。
當(dāng)然在固態(tài)硬盤或者硬RAID設(shè)備上設(shè)置這個(gè)值為非零會降低存儲的效率，因?yàn)楣虘B(tài)硬盤沒有磁頭尋址這個(gè)概念，所以在這樣的設(shè)備上應(yīng)該設(shè)置為0，關(guān)閉此功能。
group_idle:這個(gè)參數(shù)也跟上一個(gè)參數(shù)類似，區(qū)別是當(dāng)cfq要切換cfq_group的時(shí)候會等待一段時(shí)間。
在cgroup的場景下，如果我們沿用slice_idle的方式，那么空轉(zhuǎn)等待可能會在cgroup組內(nèi)每個(gè)進(jìn)程的cfq_queue切換時(shí)發(fā)生。
這樣會如果這個(gè)進(jìn)程一直有請求要處理的話，那么直到這個(gè)cgroup的配額被耗盡，同組中的其它進(jìn)程也可能無法被調(diào)度到。這樣會導(dǎo)致同組中的其它進(jìn)程餓死而產(chǎn)生IO性能瓶頸。
在這種情況下，我們可以將slice_idle ＝ 0而group_idle ＝ 8。這樣空轉(zhuǎn)等待就是以cgroup為單位進(jìn)行的，而不是以cfq_queue的進(jìn)程為單位進(jìn)行，以防止上述問題產(chǎn)生。
low_latency:這個(gè)是用來開啟或關(guān)閉cfq的低延時(shí)（low latency）模式的開關(guān)。
當(dāng)這個(gè)開關(guān)打開時(shí)，cfq將會根據(jù)target_latency的參數(shù)設(shè)置來對每一個(gè)進(jìn)程的分片時(shí)間（slice time）進(jìn)行重新計(jì)算。
這將有利于對吞吐量的公平（默認(rèn)是對時(shí)間片分配的公平）。
關(guān)閉這個(gè)參數(shù)（設(shè)置為0）將忽略target_latency的值。這將使系統(tǒng)中的進(jìn)程完全按照時(shí)間片方式進(jìn)行IO資源分配。這個(gè)開關(guān)默認(rèn)是打開的。
我們已經(jīng)知道cfq設(shè)計(jì)上有“空轉(zhuǎn)”（idling）這個(gè)概念，目的是為了可以讓連續(xù)的讀寫操作盡可能多的合并處理，減少磁頭的尋址操作以便增大吞吐量。
如果有進(jìn)程總是很快的進(jìn)行順序讀寫，那么它將因?yàn)閏fq的空轉(zhuǎn)等待命中率很高而導(dǎo)致其它需要處理IO的進(jìn)程響應(yīng)速度下降，如果另一個(gè)需要調(diào)度的進(jìn)程不會發(fā)出大量順序IO行為的話，系統(tǒng)中不同進(jìn)程IO吞吐量的表現(xiàn)就會很不均衡。
就比如，系統(tǒng)內(nèi)存的cache中有很多臟頁要寫回時(shí)，桌面又要打開一個(gè)瀏覽器進(jìn)行操作，這時(shí)臟頁寫回的后臺行為就很可能會大量命中空轉(zhuǎn)時(shí)間，而導(dǎo)致瀏覽器的小量IO一直等待，讓用戶感覺瀏覽器運(yùn)行響應(yīng)速度變慢。
這個(gè)low_latency主要是對這種情況進(jìn)行優(yōu)化的選項(xiàng)，當(dāng)其打開時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)target_latency的配置對因?yàn)槊锌辙D(zhuǎn)而大量占用IO吞吐量的進(jìn)程進(jìn)行限制，以達(dá)到不同進(jìn)程IO占用的吞吐量的相對均衡。這個(gè)開關(guān)比較合適在類似桌面應(yīng)用的場景下打開。
target_latency:當(dāng)low_latency的值為開啟狀態(tài)時(shí)，cfq將根據(jù)這個(gè)值重新計(jì)算每個(gè)進(jìn)程分配的IO時(shí)間片長度。
quantum:這個(gè)參數(shù)用來設(shè)置每次從cfq_queue中處理多少個(gè)IO請求。在一個(gè)隊(duì)列處理事件周期中，超過這個(gè)數(shù)字的IO請求將不會被處理。這個(gè)參數(shù)只對同步的請求有效。
slice_sync:當(dāng)一個(gè)cfq_queue隊(duì)列被調(diào)度處理時(shí)，它可以被分配的處理總時(shí)間是通過這個(gè)值來作為一個(gè)計(jì)算參數(shù)指定的。公式為：time_slice = slice_sync + (slice_sync/5 * (4 – prio))。這個(gè)參數(shù)對同步請求有效。
slice_async:這個(gè)值跟上一個(gè)類似，區(qū)別是對異步請求有效。
slice_async_rq:這個(gè)參數(shù)用來限制在一個(gè)slice的時(shí)間范圍內(nèi)，一個(gè)隊(duì)列最多可以處理的異步請求個(gè)數(shù)。請求被處理的更大個(gè)數(shù)還跟相關(guān)進(jìn)程被設(shè)置的io優(yōu)先級有關(guān)。
1.3 cfq的IOPS模式
我們已經(jīng)知道，默認(rèn)情況下cfq是以時(shí)間片方式支持的帶優(yōu)先級的調(diào)度來保證IO資源占用的公平。
高優(yōu)先級的進(jìn)程將得到更多的時(shí)間片長度，而低優(yōu)先級的進(jìn)程時(shí)間片相對較小。
當(dāng)我們的存儲是一個(gè)高速并且支持NCQ（原生指令隊(duì)列）的設(shè)備的時(shí)候，我們更好可以讓其可以從多個(gè)cfq隊(duì)列中處理多路的請求，以便提升NCQ的利用率。
此時(shí)使用時(shí)間片的分配方式分配資源就顯得不合時(shí)宜了，因?yàn)榛跁r(shí)間片的分配，同一時(shí)刻最多能處理的請求隊(duì)列只有一個(gè)。
這時(shí)，我們需要切換cfq的模式為IOPS模式。切換方式很簡單，就是將slice_idle=0即可。內(nèi)核會自動檢測你的存儲設(shè)備是否支持NCQ，如果支持的話cfq會自動切換為IOPS模式。
另外，在默認(rèn)的基于優(yōu)先級的時(shí)間片方式下，我們可以使用ionice命令來調(diào)整進(jìn)程的IO優(yōu)先級。進(jìn)程默認(rèn)分配的IO優(yōu)先級是根據(jù)進(jìn)程的nice值計(jì)算而來的，計(jì)算方法可以在man ionice中看到，這里不再廢話。
2、deadline：最終期限調(diào)度
deadline調(diào)度算法相對cfq要簡單很多。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是：
在保證請求按照設(shè)備扇區(qū)的順序進(jìn)行訪問的同時(shí)，兼顧其它請求不被餓死，要在一個(gè)最終期限前被調(diào)度到。
我們知道磁頭對磁盤的尋道是可以進(jìn)行順序訪問和隨機(jī)訪問的，因?yàn)閷さ姥訒r(shí)時(shí)間的關(guān)系，順序訪問時(shí)IO的吞吐量更大，隨機(jī)訪問的吞吐量小。
如果我們想為一個(gè)機(jī)械硬盤進(jìn)行吞吐量優(yōu)化的話，那么就可以讓調(diào)度器按照盡量復(fù)合順序訪問的IO請求進(jìn)行排序，之后請求以這樣的順序發(fā)送給硬盤，就可以使IO的吞吐量更大。
但是這樣做也有另一個(gè)問題，就是如果此時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)請求，它要訪問的磁道離目前磁頭所在磁道很遠(yuǎn)，應(yīng)用的請求又大量集中在目前磁道附近。
導(dǎo)致大量請求一直會被合并和插隊(duì)處理，而那個(gè)要訪問比較遠(yuǎn)磁道的請求將因?yàn)橐恢辈荒鼙徽{(diào)度而餓死。
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