面试题：C语言Linux异步I/O多文件操作的性能优化与内核交互

Question

从内核层面分析，在C语言实现的Linux异步I/O多文件操作场景下，怎样优化I/O调度算法以提升整体性能？假设系统中有大量小文件需要异步读写，如何通过调整内核参数或优化用户态代码来减少I/O开销，同时保证数据的完整性和系统的响应速度？请阐述具体的优化思路和涉及到的内核机制。

Answer 1

优化思路

1. 调整内核参数：
   • elevator调度算法选择：对于大量小文件I/O场景，选择noop或deadline调度算法。noop调度算法简单，适合闪存设备，减少不必要的调度开销；deadline调度算法可防止I/O饥饿，设置合适的读/写期限，优先处理小文件I/O请求，减少请求等待时间。
   • 调整I/O队列参数：增大请求队列长度，如/sys/block/sda/queue/nr_requests，使内核能批量处理I/O请求，提高I/O效率，但过大可能导致响应延迟，需根据系统负载和硬件能力调整。
   • 调整内存参数：增加dirty_ratio和dirty_background_ratio，允许更多数据在内存中缓存后批量写入磁盘，减少I/O次数。但设置过大可能在系统崩溃时丢失较多数据，要权衡数据安全性和I/O性能。
2. 优化用户态代码：
   • I/O合并：尽量将多个小文件的I/O请求合并为大的I/O请求，例如将多个小文件的数据先在内存中组装成大的缓冲区，然后一次性写入磁盘，减少系统调用次数和I/O请求数量。
   • 异步I/O优化：合理使用aio系列函数，在提交I/O请求时，根据文件大小和系统负载设置合适的请求优先级，确保紧急的小文件I/O请求优先处理。同时，正确处理I/O完成事件，避免等待I/O完成造成的线程阻塞，提高程序并发处理能力。
   • 预读和缓存：对于读操作，提前预读小文件数据到缓存中，利用posix_fadvise函数设置文件访问模式为POSIX_FADV_SEQUENTIAL或POSIX_FADV_RANDOM，让内核进行适当的预读优化。对于写操作，建立用户态缓存，减少对磁盘的直接写操作频率。

涉及的内核机制

1. I/O调度算法：
   • CFQ（完全公平队列调度算法）：默认算法，为每个进程分配时间片来处理I/O请求。在大量小文件场景下，由于进程众多，每个进程的I/O请求时间片有限，可能导致I/O响应延迟。
   • noop（无操作调度算法）：简单将I/O请求插入到FIFO队列，适合闪存设备，减少了传统调度算法对I/O请求的重排开销，对于大量小文件I/O可减少调度负担。
   • deadline（期限调度算法）：为每个I/O请求设置读/写期限，保证请求在期限内完成，避免I/O饥饿。通过维护三个队列（读、写、过期），优先处理过期队列中的请求，对于小文件I/O能快速响应。
2. 内存缓存机制：
   • 页缓存（Page Cache）：内核将磁盘数据以页为单位缓存到内存中，减少磁盘I/O。读操作时先检查页缓存，有则直接返回；写操作时先写入页缓存，由内核定期或在内存紧张时刷盘。
   • 脏页回写（Dirty Page Writeback）：脏页是指被修改但未写入磁盘的页。内核通过pdflush线程定期将脏页写回磁盘，调整dirty_ratio和dirty_background_ratio影响脏页回写时机和数量，平衡内存使用和I/O性能。
3. 异步I/O机制：
   • 内核异步I/O（AIO）：用户通过io_submit等函数提交I/O请求，内核将请求放入请求队列并异步处理。I/O完成后通过事件通知机制（如信号、完成队列）告知用户。内核在处理异步I/O请求时，根据调度算法进行调度，提高I/O并发处理能力。