Linux I/O 调度是如何工作的？

Linux I/O调度器是操作系统用于管理磁盘I/O请求的机制，其目标是提高I/O性能和响应速度，在Linux系统中，有多种I/O调度算法可供选择，每种算法都有其独特的设计原理和优化目标，以下是对Linux I/O调度器的详细介绍：

Linux I/O调度器

Linux内核中的I/O调度器负责控制块设备的请求队列，确定哪些I/O请求的优先级更高以及何时下发这些请求到块设备，通过合理的调度，可以减少磁盘寻道时间，从而提高系统的吞吐量和响应速度，Linux系统提供了多种I/O调度算法，包括Noop、Deadline、CFQ（Completely Fair Queuing）等。

常见的I/O调度算法

1、Noop调度算法

特点：Noop调度算法是最简单的I/O调度算法，它实际上不做任何调度，只是按照请求的顺序将I/O请求传递给硬件，这种调度算法适用于具有自身硬件级I/O调度机制的设备，如SSD。

适用场景：当上层应用程序已经对I/O请求进行了精心优化，或者底层设备（如Raid、SAN、NAS等）能够更好地组织I/O请求时，Noop调度算法是一个不错的选择，对于非旋转磁头的存储设备（如SSD），Noop调度算法也能避免不必要的CPU开销。

2、Deadline调度算法

特点：Deadline调度算法的核心在于保证每个I/O请求在一定的时间内得到服务，以避免请求饥饿，它实现了四个队列，其中两个分别处理正常读和写请求，按扇区号排序并进行I/O合并处理以提高吞吐量；另外两个队列处理超时读和写请求，按请求创建时间排序，确保超时请求优先被处理。

适用场景：Deadline调度算法适用于需要低延迟的场景，如数据库应用等，由于它优先处理读请求（读请求的超时时间较短），因此对于读操作频繁的应用来说，Deadline调度算法能够提供更好的性能。

3、CFQ（Completely Fair Queuing）调度算法

特点：CFQ调度算法的目标是为所有进程提供公平的I/O服务，它将每个进程的I/O请求放入单独的队列中，并按时间片分配I/O服务，这样可以保证每个进程都能得到一定的I/O带宽，提高系统的整体响应性。

适用场景：CFQ调度算法适用于通用服务器和桌面应用场景，它试图平衡各个进程的I/O需求，确保系统资源的公平分配，在某些IO压力较大的场景下（如IO压力集中在某些进程上），CFQ调度算法可能不是最佳选择。

4、Anticipatory调度算法

特点：Anticipatory调度算法是基于局部性原理的启发式调度算法，它在处理完一个I/O请求后，会故意延迟一段时间再处理下一个请求，以期望用户在此期间会有新的读取请求，这样可以减少磁头的寻道次数，提高磁盘效率。

注意：从Linux 2.6.33版本后，Anticipatory调度算法已被移除，因为CFQ算法通过配置也能达到类似的效果。

I/O调度算法的选择与调整

选择哪种I/O调度算法取决于具体的硬件特性和工作负载需求，对于SSD等高速存储设备，通常推荐使用Noop或Deadline调度算法；而对于传统的机械硬盘，CFQ或Deadline调度算法可能更适合。

在Linux系统中，可以通过以下步骤更改I/O调度算法：

查看当前调度算法：使用cat /sys/block/sdX/queue/scheduler命令可以查看指定块设备的当前I/O调度算法。

临时更改调度算法：通过echo <algorithm> | /sys/block/sdX/queue/scheduler命令可以临时更改指定块设备的I/O调度算法，更改将在系统重启后失效。

永久更改调度算法：如果希望永久更改I/O调度算法，可以在启动命令中添加相应的参数（如elevator=cfq），或者修改GRUB配置文件（如/etc/default/grub）并在启动时生效。

Linux I/O调度层的位置

在Linux内核的I/O层次体系中，I/O调度层位于通用块层之下，主要负责根据不同块设备的特点和应用的不同特点来设置不同的调度算法和队列，以便在不同的应用环境下有针对性地提高磁盘的读写效率，从read()或者write()系统调用的角度来看，Linux整体I/O体系可以分为七层，分别是VFS层、文件系统层、页缓存层、通用块层、I/O调度层、块设备驱动层和块设备层。

表格对比

为了更清晰地展示各I/O调度算法的特点和适用场景，可以使用表格进行对比：

Linux I/O调度器是操作系统中至关重要的一部分，它直接影响着磁盘I/O的性能和响应速度，通过选择合适的I/O调度算法，并根据具体需求进行调整，可以显著提升系统的整体性能和用户体验，在实际应用中，建议根据硬件特性和工作负载需求进行充分的测试和评估，以选择最合适的I/O调度算法。