kernel 3.10内核源码分析--块设备层request plug/unplug机制

4270阅读　0评论2016-11-16　夕阳下的孤影
分类：LINUX

一、基本原理
Linux块设备层使用了plug/unplug(蓄流/泄流)的机制来提升IO吞吐量。基本原理为：当IO请求提交时，不知直接提交给底层驱动，而是先将其放入一个队列中(相当于水池)，待一定时机或周期后再将该队列中的请求统一下发。将请求放入队列的过程即plug(蓄流)过程，统一下发请求的过程即为unplug(泄流)过程。每个请求在队列中等待的时间不会太长，通常在ms级别。
如此设计，可以增加IO合并和排序的机会，便于提升磁盘访问效率。

二、plug
1、基本流程
从mapping层提交到块设备层的io请求为bio，bio会在块设备进行合并，并生成新的request，并经过IO调度(排序和合并)之后下发到底层。下发request时，通过请求队列的make_request_fn接口，其中实质为将请求放入per task的plug队列，当队列满或在进行调度时(schedule函数中)会根据当前进程的状态将该队列中的请求flush到派发队列中，并触发unplug(具体流程后面介绍)。
。
per task的plug队列：新内核版本中实现的机制。IO请求提交时先链入此队列，当该队列满时(>BLK_MAX_REQUEST_COUNT)，会flush到相应设备的请求队列中(request_queue)。
优点：per task维护plug队列，可以避免频繁对设备的请求队列操作导致的锁竞争，能提升效率。

2、plug基本代码流程如下：
submit_bio->
    generic_make_request->
        make_request->
            blk_queue_bio->
                list_add_tail(&req->queuelist, &plug->list);//将请求加入plug队列

三、unplug
unplug分同步unplug和异步unplug两种方式。
同步unplug即当即通过调用blk_run_queue对下发请求队列中的情况。
异步unplug，通过唤醒kblockd工作队列来对请求队列中的请求进行下发。

1、kblockd工作队列的初始化：
1) 分配工作队列
主要代码流程：
blk_dev_init ->
    alloc_workqueue //分配工作队列
2) 初始化工作队列
blk_alloc_queue_node():

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  1. /*在指定node上分配请求队列*/
  2. struct request_queue *blk_alloc_queue_node(gfp_t gfp_mask, int node_id)
  3. {
  4. struct request_queue *q;
  5. int err;
  6. /*分配请求队列需要的内存，从slab中分配，并初始化为0*/
  7. q = kmem_cache_alloc_node(blk_requestq_cachep,
  8. gfp_mask | __GFP_ZERO, node_id);
  9. if (!q)
  10. return NULL;


  13. if (percpu_counter_init(&q->mq_usage_counter, 0))
  14. goto fail_q;


  17. q->id = ida_simple_get(&blk_queue_ida, 0, 0, gfp_mask);
  18. if (q->id < 0)
  19. goto fail_c;


  22. q->backing_dev_info.ra_pages =
  23. (VM_MAX_READAHEAD * 1024) / PAGE_CACHE_SIZE;
  24. q->backing_dev_info.state = 0;
  25. q->backing_dev_info.capabilities = BDI_CAP_MAP_COPY;
  26. q->backing_dev_info.name = "block";
  27. q->node = node_id;


  30. err = bdi_init(&q->backing_dev_info);
  31. if (err)
  32. goto fail_id;
  33. /*设置laptop模式下的定时器*/
  34. setup_timer(&q->backing_dev_info.laptop_mode_wb_timer,
  35.    laptop_mode_timer_fn, (unsigned long) q);
  36. /*
  37.  * 关键点:设置请求队列的超时定时器，默认超时时间为30s，当30s内IO请求未完成时，定时器到期，
  38.  * 进行重试或错误处理。这是IO 错误处理架构中的关键点之一，在内核老版本中(2.6.38?)，该定时器
  39.  * 是在scsi中间层定义的，新版本中将其上移至块设备层。Fixme:为何要这样?*/
  40. setup_timer(&q->timeout, blk_rq_timed_out_timer, (unsigned long) q);
  41. /*初始化各个队列*/
  42. INIT_LIST_HEAD(&q->queue_head);
  43. INIT_LIST_HEAD(&q->timeout_list);
  44. INIT_LIST_HEAD(&q->icq_list);
  45. #ifdef CONFIG_BLK_CGROUP
  46. INIT_LIST_HEAD(&q->blkg_list);
  47. #endif
  48. INIT_LIST_HEAD(&q->flush_queue[0]);
  49. INIT_LIST_HEAD(&q->flush_queue[1]);
  50. INIT_LIST_HEAD(&q->flush_data_in_flight);
  51. /*初始化delay_work，用于在kblockd中异步unplug请求队列*/
  52. INIT_DELAYED_WORK(&q->delay_work, blk_delay_work);


  55. kobject_init(&q->kobj, &blk_queue_ktype);


  58. mutex_init(&q->sysfs_lock);
  59. spin_lock_init(&q->__queue_lock);


  62. /*
  63. * By default initialize queue_lock to internal lock and driver can
  64. * override it later if need be.
  65. */
  66. q->queue_lock = &q->__queue_lock;


  69. /*
  70. * A queue starts its life with bypass turned on to avoid
  71. * unnecessary bypass on/off overhead and nasty surprises during
  72. * init. The initial bypass will be finished when the queue is
  73. * registered by blk_register_queue().
  74. */
  75. q->bypass_depth = 1;
  76. __set_bit(QUEUE_FLAG_BYPASS, &q->queue_flags);


  79. init_waitqueue_head(&q->mq_freeze_wq);


  82. if (blkcg_init_queue(q))
  83. goto fail_id;


  86. return q;


  89. fail_id:
  90. ida_simple_remove(&blk_queue_ida, q->id);
  91. fail_c:
  92. percpu_counter_destroy(&q->mq_usage_counter);
  93. fail_q:
  94. kmem_cache_free(blk_requestq_cachep, q);
  95. return NULL;
  96. }
2) kblockd工作队列的工作内容
kblockd工作队列的工作内容有由blk_delay_work()函数实现，主要就是调用__blk_run_queue进行unplug请求队列。

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  1. /*IO请求队列的delay_work，用于在kblockd中异步unplug请求队列*/
  2. static void blk_delay_work(struct work_struct *work)
  3. {
  4. struct request_queue *q;
  5. /*获取delay_work所在的请求队列*/
  6. q = container_of(work, struct request_queue, delay_work.work);
  7. spin_lock_irq(q->queue_lock);
  8. /*直接run queue，最终调用request_fn对队列中的请求逐一处理*/
  9. __blk_run_queue(q);
  10. spin_unlock_irq(q->queue_lock);
  11. }

2、unplug机制
内核中设计了两种unplug机制：
1）调度时进行unplug(异步方式)
当发生内核调度时，当前进程sleep前，先将当前task的plug列表中的请求flush到派发队列中，并进行unplug。
主要代码流程如下：
schedule->
    sched_submit_work ->
        blk_schedule_flush_plug()->
            blk_flush_plug_list(plug, true) ->注意:这里传入的from_schedule参数为true，表示将触发异步unplug，即唤醒kblockd工作队列来进行unplug操作。后续的kblockd的唤醒周期在块设备驱动中设置，比如scsi中设置为3ms。
                queue_unplugged->
                    blk_run_queue_async

queue_unplugged():

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  1. /*unplug请求队列，plug相当于蓄水，将请求放入池子(请求队列)中，unplug相当于放水，即开始调用请求队列的request_fn(scsi_request_fn)来处理请求队列中的请求，将请求提交到scsi层(块设备驱动层)*/
  2. static void queue_unplugged(struct request_queue *q, unsigned int depth,
  3.    bool from_schedule)
  4. __releases(q->queue_lock)
  5. {
  6. trace_block_unplug(q, depth, !from_schedule);
  7. /*调用块设备驱动层提供的request_fn接口处理请求队列中的请求，分异步和同步两种情况。*/
  8. if (from_schedule)
  9. /*异步unplug，即通过kblockd工作队列来处理，该工作队列定期唤醒(5s)，通过这种方式可以控制流量，提高吞吐量*/
  10. blk_run_queue_async(q);
  11. else
  12. /*同步unplug，即直接调用设备驱动层提供的request_fn接口处理请求队列中的请求*/
  13. __blk_run_queue(q);
  14. spin_unlock(q->queue_lock);
  15. }

blk_run_queue_async():

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  1. /*异步unplug，即通过kblockd工作队列来处理，该工作队列定期唤醒(5s)，通过这种方式可以控制流量，提高吞吐量*/
  2. void blk_run_queue_async(struct request_queue *q)
  3. {
  4. if (likely(!blk_queue_stopped(q) && !blk_queue_dead(q)))
  5. /*唤醒kblockd相关的工作队列，进行unplug处理，注意:这里的delay传入0表示立刻唤醒，kblockd对应的处理接口为:blk_delay_work*/
  6. mod_delayed_work(kblockd_workqueue, &q->delay_work, 0);
  7. }

scsi_request_fn()://scsi块设备驱动的request_fn()接口，其中当scsi命令下发失败时，会重设kblockd，延迟unplug请求队列。

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  1. static void scsi_request_fn(struct request_queue *q)
  2. {
  3. ...
  4. /*
  5. * Dispatch the command to the low-level driver.
  6. */
  7. /*将scsi命令下发到底层驱动，当返回非0时，表示命令下发失败，则当前的请求队列需要被plug*/
  8. rtn = scsi_dispatch_cmd(cmd);
  9. spin_lock_irq(q->queue_lock);
  10. /*命令下发失败，需要plug请求队列*/
  11. if (rtn)
  12. goto out_delay
  13. ...
  14. out_delay:
  15. if (sdev->device_busy == 0)
  16. /*命令下发失败，需要延迟处理，需plug请求队列，设置3ms定时启动kblockd工作队列，进行请求队列的unplug*/
  17. blk_delay_queue(q, SCSI_QUEUE_DELAY);
  18. blk_delay_queue
  19. /*在指定msecs时间后启动kblockd工作队列*/
  20. void blk_delay_queue(struct request_queue *q, unsigned long msecs)
  21. {
  22. if (likely(!blk_queue_dead(q)))
  23. queue_delayed_work(kblockd_workqueue, &q->delay_work,
  24.   msecs_to_jiffies(msecs));
  25. }

2）提交IO请求时(make_request)进行unplug
提交IO请求时(make_request)，先将请求提交时先链入此队列，当该队列满时(>BLK_MAX_REQUEST_COUNT)，会flush到相应设备的请求队列中(request_queue)。
主要代码流程为：
submit_bio->
    generic_make_request->
        make_request->
            blk_queue_bio->
                blk_flush_plug_list(plug, false) ->注意:这里传入的from_schedule参数为false，表示将触发同步unplug，即当即下发请求。
                    queue_unplugged->
                        blk_run_queue_async ->
                            __blk_run_queue

普通块设备的make_request接口在3.10内核版本中被设置为blk_queue_bio，相应代码分析如下：

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  1. /*在submit_bio中被调用，用于合并bio，并提交请求(request)，请求提交到per task的plug list中*/
  2. void blk_queue_bio(struct request_queue *q, struct bio *bio)
  3. {
  4.     const bool sync = !!(bio->bi_rw & REQ_SYNC);
  5.     struct blk_plug *plug;
  6.     int el_ret, rw_flags, where = ELEVATOR_INSERT_SORT;
  7.     struct request *req;
  8.     unsigned int request_count = 0;

  10.     /*
  11.      * low level driver can indicate that it wants pages above a
  12.      * certain limit bounced to low memory (ie for highmem, or even
  13.      * ISA dma in theory)
  14.      */
  15.     /*bounce buffer(回弹缓冲区)使用*/
  16.     blk_queue_bounce(q, &bio);

  18.     if (bio_integrity_enabled(bio) && bio_integrity_prep(bio)) {
  19.         bio_endio(bio, -EIO);
  20.         return;
  21.     }

  23.     if (bio->bi_rw & (REQ_FLUSH | REQ_FUA)) {
  24.         spin_lock_irq(q->queue_lock);
  25.         where = ELEVATOR_INSERT_FLUSH;
  26.         goto get_rq;
  27.     }

  29.     /*
  30.      * Check if we can merge with the plugged list before grabbing
  31.      * any locks.
  32.      */
  33.     /*尝试将bio合并到request中*/
  34.     if (blk_attempt_plug_merge(q, bio, &request_count))
  35.         return;

  37.     spin_lock_irq(q->queue_lock);

  39.     el_ret = elv_merge(q, &req, bio);
  40.     /*向后合并*/
  41.     if (el_ret == ELEVATOR_BACK_MERGE) {
  42.         if (bio_attempt_back_merge(q, req, bio)) {
  43.             elv_bio_merged(q, req, bio);
  44.             if (!attempt_back_merge(q, req))
  45.                 elv_merged_request(q, req, el_ret);
  46.             goto out_unlock;
  47.         }
  48.     /*向前合并*/
  49.     } else if (el_ret == ELEVATOR_FRONT_MERGE) {
  50.         if (bio_attempt_front_merge(q, req, bio)) {
  51.             elv_bio_merged(q, req, bio);
  52.             if (!attempt_front_merge(q, req))
  53.                 elv_merged_request(q, req, el_ret);
  54.             goto out_unlock;
  55.         }
  56.     }
  57. /*不能合并，需要新建request来处理bio*/
  58. get_rq:
  59.     /*
  60.      * This sync check and mask will be re-done in init_request_from_bio(),
  61.      * but we need to set it earlier to expose the sync flag to the
  62.      * rq allocator and io schedulers.
  63.      */
  64.     rw_flags = bio_data_dir(bio);
  65.     /*判断是否需要sync，即直接将IO请求unplug(提交到块设备驱动层)，不用等待kblockd来定期plug*/
  66.     if (sync)
  67.         rw_flags |= REQ_SYNC;

  69.     /*
  70.      * Grab a free request. This is might sleep but can not fail.
  71.      * Returns with the queue unlocked.
  72.      */
  73.     /*从请求队列中取一个request*/
  74.     req = get_request(q, rw_flags, bio, GFP_NOIO);
  75.     if (unlikely(!req)) {
  76.         bio_endio(bio, -ENODEV);    /* @q is dead */
  77.         goto out_unlock;
  78.     }

  80.     /*
  81.      * After dropping the lock and possibly sleeping here, our request
  82.      * may now be mergeable after it had proven unmergeable (above).
  83.      * We don't worry about that case for efficiency. It won't happen
  84.      * often, and the elevators are able to handle it.
  85.      */
  86.     /*将bio加入新的request中*/
  87.     init_request_from_bio(req, bio);

  89.     if (test_bit(QUEUE_FLAG_SAME_COMP, &q->queue_flags))
  90.         req->cpu = raw_smp_processor_id();

  92.     plug = current->plug;
  93.     /*如果有plug，则将请求加入到plug的list中，如果没有则直接调用__blk_run_queue提交请求*/
  94.     if (plug) {
  95.         /*
  96.          * If this is the first request added after a plug, fire
  97.          * of a plug trace. If others have been added before, check
  98.          * if we have multiple devices in this plug. If so, make a
  99.          * note to sort the list before dispatch.
  100.          */
  101.         if (list_empty(&plug->list))
  102.             trace_block_plug(q);
  103.         else {/*如果请求队列中的请求数超过了限值，则先unplug?*/
  104.             if (request_count >= BLK_MAX_REQUEST_COUNT) {
  105.                 blk_flush_plug_list(plug, false);
  106.                 trace_block_plug(q);
  107.             }
  108.         }
  109.         /*把请求加入到plug的list中，当plug的list满了后(>BLK_MAX_REQUEST_COUNT)，会flush到相应设备的请求队列中(request_queue)*/
  110.         list_add_tail(&req->queuelist, &plug->list);
  111.         blk_account_io_start(req, true);
  112.     } else {
  113.         spin_lock_irq(q->queue_lock);
  114.         add_acct_request(q, req, where);
  115.         /*如果没有plug控制，最终调用此接口处理队列中的请求，最终会调用请求队列的request_fn接口处理请求*/
  116.         __blk_run_queue(q);
  117. out_unlock:
  118.         spin_unlock_irq(q->queue_lock);
  119.     }
  120. }

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