Рис. 13.2. Связь между структурами struct bio, struct bio_vec и struct page
Поле bi_idx указывает на текущую структуру bio_vec в массиве, что позволяет уровню блочного ввода-вывода поддерживать частично выполненные операции блочного ввода-вывода. Однако более важное использование состоит в том, что драйверы таких устройств, как RAID (Redundant Array of Inexpensive/Independent Disks, массив недорогих/независимых дисковых устройств с избыточностью — специальный способ использования жестких дисков, при котором один логический том может быть распределен но нескольким физическим дискам для увеличения надежности или производительности), могут одну структуру bio, которая изначально была адресована одному устройству, разбивать на несколько частей, которые предназначаются различным дискам RAID массива. Все, что необходимо сделать драйверу RAID, это создать необходимое количество копий структуры bio, которая предназначалась одному устройству, и изменить для каждой копии значение поля bi_idx, чтобы оно указывало на ту часть массива, откуда каждый диск должен начать свою операцию ввода-вывода.
Структура bio содержит счетчик использования, который хранится в поле bi_cnt. Когда значение этого поля становится равным нулю, структура удаляется, и занятая память освобождается. Следующие две функции позволяют управлять счетчиком использования.
void bio_get(struct bio *bio);
void bio_put(struct bio *bio);
Первая увеличивает на единицу значение счетчика использования, а вторая — уменьшает значение этого счетчика на единицу и, если это значение становится равным нулю, уничтожает соответствующую структуру bio. Перед тем как работать с активной структурой bio, необходимо увеличить счетчик использования, чтобы гарантировать, что экземпляр структуры не будет удален во время работы. После окончания работы необходимо уменьшить счетчик использования.
И наконец, поле bio_private — это поле данных создателя (владельца) структуры. Как правило, это поле необходимо считывать или записывать только тому, кто создал данный экземпляр структуры bio.
Сравнение старой и новой реализаций
Между заголовками буферов и новой структурой bio существуют важные отличия. Структура bio представляет операцию ввода-вывода, которая может включать одну или больше страниц в физической памяти. С другой стороны, заголовок буфера связан с одним дисковым блоком, который занимает не более одной страницы памяти. Поэтому использование заголовков буферов приводит к ненужному делению запроса ввода-вывода на части, размером в один блок, только для того, чтобы их потом снова объединить. Работа со структурами bio выполняется быстрее, эта структура может описывать несмежные блоки и не требует без необходимости разбивать операции ввода-вывода на части.
Переход от структуры struct buffer_head к структурам struct bio позволяет получить также и другие преимущества.
• Структура bio может легко представлять верхнюю память (см. главу 11), так как структура struct bio работает только со страницами физической памяти, а не с указателями.
• Структура bio может представлять как обычные страничные операции ввода- вывода, так и операции непосредственного (direct) ввода-вывода (т.е. те, которые не проходят через страничный кэш; страничный кэш обсуждается в главе 15).
• Структура bio позволяет легко выполнять операции блочного ввода-вывода типа распределения-аккумуляции (scatter-gather), в которых данные находятся в нескольких страницах физической памяти.
• Структура bio значительно проще заголовка буфера, потому что она содержит только минимум информации, необходимой для представления операции блочного ввода-вывода, а не информацию, которая связана с самим буфером.
Тем не менее заголовки буферов все еще необходимы для функций, которые выполняют отображение дисковых блоков на страницы физической памяти. Структура bio не содержит никакой информации о состоянии буфера, это просто массив векторов, которые описывают один или более сегментов данных одной операции блочного ввода-вывода, плюс соответствующая дополнительная информация. Структура buffer_head необходима для хранения информации о буферах. Применение двух отдельных структур позволяет сделать размер обеих этих структур минимальным.
Очереди запросов
Для блочных устройств поддерживаются очереди запросов (request queue), в которых хранятся ожидающие запросы на выполнение операций блочного ввода-вывода. Очередь запросов представляется с помощью структуры request_queue, которая определена в файле <linux/blkdev.h>. Очередь запросов содержит двухсвязный список запросов и соответствующую управляющую информацию. Запросы добавляются в очередь кодом ядра более высокого уровня, таким как файловые системы. Пока очередь запросов не пуста, драйвер блочного устройства, связанный с очередью, извлекает запросы из головы очереди и отправляет их на соответствующее блочное устройство. Каждый элемент списка запросов очереди— это один запрос, представленный с помощью структуры struct request.
Запросы
Отдельные запросы представляются с помощью структуры struct request, которая тоже определена в файле <linux/blkdev.h>. Каждый запрос может состоять из более чем одной структуры bio, потому что один запрос может содержать обращение к нескольким смежным дисковым блокам. Обратите внимание, что хотя блоки на диске и должны быть смежными, данные этих блоков не обязательно должны быть смежными в физической памяти — каждая структура bio может содержать несколько сегментов (вспомните, сегменты — это непрерывные участки памяти, в которых хранятся данные блока), а запрос может состоять из нескольких структур bio.
Планировщики ввода-вывода
Простая отправка запросов на устройство ввода-вывода в том же порядке, в котором эти запросы направляет ядро, приводит к очень плохой производительности. Одна из наиболее медленных операций, которые вообще могут быть в компьютере,— это поиск по жесткому диску. Операция поиска — это позиционирование головки жесткого диска на определенный блок, которое может запять много миллисекунд. Минимизация количества операций поиска чрезвычайно критична для производительности всей системы.
Поэтому ядро не отправляет все запросы на выполнение операций блочного ввода-вывода жесткому диску в том же порядке, в котором они были получены, или сразу же, как только они были получены. Вместо этого, оно выполняет так называемые операции слияния (объединения, merging) и сортировка (sorting), которые позволяют значительно увеличить производительность всей системы[76]. Подсистема ядра, которая выполняет эти операции называется планировщиком ввода-вывода (I/O scheduler).
76
Это необходимо подчеркнуть особо. Системы, не имеющие таких функций или в которых эти функции плохо реализованы, будут иметь очень плохую производительность даже при небольшом количестве операций блочного ввода-вывода.