بهبود کارایی لینوکس با I/O scheduler جدید کرنل 4.12

محمدرضا 17 سپتامبر 2023 زمان خواندن: 2 دقیقه

یکی از وظایف اصلی هسته سیستم عامل، مدیریت دستگاه‌های ورودی و خروجی سیستم یا به اصطلاح I/O می‌باشد. برنامه‌های مختلفی که نیاز به دسترسی به دستگاه‌ها ورودی و خروجی دارند درخواست‌های خود را به هسته سیستم عامل ارسال می‌کنند و هسته سیستم عامل با توجه به تعداد درخواست‌هایی که برای دستگاه‌های مختلف وجود دارد، این درخواست‌ها را در صف قرار داده و برای انجام زمانبندی می‌کند. شیوه زمانبندی این درخواست‌ها تاثیر به سزایی در سرعت و پاسخگویی سیستم دارد. معمولا به دلیل کند بودن بعضی از دستگاه‌های ذخیره‌سازی همانند دیسک‌های سخت نسبت به سایر بخش‌های اصلی سیستم همچون CPU و RAM، عملیات I/O به عنوان یکی از دلایل اصلی کند بودن سیستم و پاسخگو (Responsive) نبودن برنامه‌ها می‌باشد.

روش‌ها و الگوریتم‌های مختلفی برای زمانبندی I/O وجود دارد. روش‌هایی که تاکنون در هسته لینوکس برای زمانبندی I/O استفاده می‌شد شامل CFQ، NOOP و Deadline بود. با ظهور دستگاه‌های ذخیره‌سازی جدید که قادر به انجام صدها و هزاران درخواست I/O در ثانیه می‌باشند، نیاز به روش‌های زمانبندی جدید که قادر به استفاده از این پتانسیل عظیم باشد بیش از پیش حس می‌شد. یکی از بهبودهایی که از کرنل نسخه 3.13 وارد هسته لینوکس شد multiqueue block layer بود که منجر به افزایش کارایی سیستم در استفاده از دستگاه‌های ذخیره سازی با کارایی بالا می‌شود. منتها این مکانیزم به خودی خود بدون وجود الگوریتم‌های زمانبندی که از این مکانیزم استفاده کنند فایده چندانی نداشت. ولی سرانجام در کرنل نسخه 4.12 دو زمانبند جدید که از این مکانیزم استفاده می‌کنند وارد هسته لینوکس شد. این الگوریتم‌ها به ترتیب BFQ و Kyber می‌باشند. زمانبند BFQ مکانیزمی است که بیشتر برای استفاده در دیسک‌های سخت HDD استفاده می‌شود که منجر به بهبود زمان تاخیر برنامه‌های تعاملی و بهبود کارایی سیستم می‌شود. الگوریتم Kyber هم بدلیل پیچیدگی کمتر نسبت به BFQ برای دیسک‌های SSD و سریعتر استفاده ‌می‌شود.

به تازگی کرنل 4.12 وارد مخازن آرچ شد و کاربران آرچ امکان استفاده از این مکانیزم‌های جدید رو پیدا کردند. این زمانبند‌ها در حالت عادی فعال نیستند و برای فعال شدن آنها باید کارهای زیر را انجام بدید. توصیه می‌کنم که اگر سیستم شما از HDD استفاده می‌کند از BFQ استفاده کنید و برای SSD ترجیحا از Kyber و یا از روش‌های فعلی موجود استفاده کنید.

در حالت عادی زمانبند CFQ در آرچ استفاده می‌شود که برای دیدن زمانبند مورد استفاده در دیسک مورد نظر خود از دستور زیر استفاده کنید در اینجا دیسک sda رو چک میکنیم:

$ cat /sys/block/sda/queue/scheduler
noop deadline [cfq]

برای استفاده از زمانبندهای چند صفی (multiqueue) ابتدا بایستی پارامترهای scsi_mod.use_blk_mq=1 dm_mod.use_blk_mq=1 را به پارامترهای بوت کرنل اضافه کنیم برای اینکار با فرض استفاده از GRUB به عنوان boot loader مورد استفاده اعمال زیر را انجام دهید:

ابتدا فایل /etc/default/grub را با ویرایشگر مورد نظر خود باز کرده و پارامترهای گفته شده را به مقادیر موجود در جلوی گزینه GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT اضافه کنید یعنی به این صورت:

GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="scsi_mod.use_blk_mq=1 dm_mod.use_blk_mq=1"

سپس با دستور زیر فایل تنظیمات گراب را بروزرسانی کنید:

$ sudo grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

در مرحله بعد برای استفاده از زمانبند BFQ برای تمامی دیسک‌های سیستم یک rule جدید برای udev ایجاد می‌کنیم. به این منظور ابتدا دستور زیر را برای ایجاد rule جدید اجرا کنید:

$ sudo nano /etc/udev/rules.d/10-bfq.rules

سپس محتویات زیر را درون این فایل قرار دهید:

ACTION=="add|change", KERNEL=="sd[a-z]", ATTR{queue/scheduler}="bfq"

در مرحله بعد سیستم خود را ریبوت کرده و بعد از بالا آمدن سیستم چک کنید که زمانبند BFQ برای دیسک شما مورد استفاده قرار گرفته باشد:

$ cat /sys/block/sda/queue/scheduler
mq-deadline kyber [bfq] none

همانطور که می‌بینید زمانبند bfq برای دیسک sda سیستم مورد استفاده قرار گرفته است. برای استفاده از Kyber هم به همین شیوه عمل می‌شود منتها در rule ایجاد شده برای udev به جای bfq گزینه kyber رو قرار بدید:

ACTION=="add|change", KERNEL=="sd[a-z]", ATTR{queue/scheduler}="kyber"