1, Buffer cache的作用

 

为了提高磁盘设备的IO性能,我们采用内存作为磁盘设备的cache。用户操作磁盘设备的时候,首先将数据写入内存,然后再将内存中的脏数据定时刷新到磁盘。这个用作磁盘数据缓存的内存就是所谓的buffer cache。在以前的Linux系统中,有很完善的buffer cache软件层,专门负责磁盘数据的缓存。在磁盘设备的上层往往会架构文件系统,为了提高文件系统的性能,VFS层同样会提供文件系统级别的page cache。这样就导致系统中存在两个cache,并且重叠在一起,显得没有必要和冗余。为了解决这个问题,在现有的Linux系统中对buffer cache软件层进行了弱化,并且和page cache进行了整合。Buffer cachepage cache都采用radix tree进行维护,只有当访问裸设备的时候才会使用buffer cache,正常走文件系统的IO不会使用buffer cache

 

我们知道ext3文件系统的page cache都是以page页大小为单位的,那么buffer cache中缓存块大小究竟是多大呢?其对性能影响如何呢?这两天我在Linux-2.6.23平台上针对这个问题做了很多实验,得到了一些数据结果,并从源代码分析中得到设置缓存块大小的方法。在此对这个buffer cache的性能问题进行分析说明,供大家讨论。

2, Buffer cache的性能问题

 

2.1 测试实验

 

首先让我们来做一个实验,在Linux-2.6.23平台上,采用dd工具对一个块设备进行顺序写操作,可以采用如下的命令格式:

dd if=/dev/zero of=/dev/sda2 bs=<request_size> count=100

采用该命令在不同buffer cache块(blk_size)大小配置的情况下测试不同请求大小(req_size)的IO性能,可以得到如下表所示的测试数据:

 

表:不同buffer cache块大小配置下的吞吐量

 

将表中的数据做成性能对比图,如下图所示:

 

 

从图中可以看出,在请求大小小于Cache块大小的时候,Cache块越大,IO性能越高;但是,请求大小大于Cache块大小之后,性能都有明显的飞跃。

 

例如,当buffer cache块大小被配置成2KB时,小于2KB的块性能基本都在19MB/s左右;当buffer cache块大小被配置成512B时,小于512B的写性能都保持在5MB/s;当buffer cache块大小被配置成1024B时,小于1KB的写性能基本都保持在9.5MB/s上下。这就说明对于小于cache块大小的small_writebuffer cache越大,其性能会越好,反之,性能越差,这就是buffer cache的作用。

 

观察发现一旦请求大小大于等于cache块大小之后,性能急剧提升,由于测试工具的IO压力足够大,能够一下子将磁盘性能耗尽。这是为什么呢?其实,当请求块比较小时,对于cache块而言是“局部操作”,这种“局部操作”会引入buffer cache的数据读操作,并且数据读操作和用户写操作存在顺序关系,这就极大的影响了IO的写性能。因此,当请求大小大于cache块时,并且能够和Cache块对齐时,就能够充分利用磁盘的IO带宽,所以就产生了上图中所示的性能飞跃。

 

看到上图中的测试结果之后,我们就会想在实际应用中,我们该如何选择buffer cache的块大小?如果请求大小是512B时,显然将buffer cache块设置成512比较合适;如果请求大小是256B时,显然将buffer cache块设置成2KB比较合适。所以,个人认为块大小的设置还需要根据实际的应用来决定,不同的应用需要设置不同的块大小,这样才能使整体性能达到最佳。

 

2.2 Buffer cache块大小

 

Linux系统在创建块设备的时候是如何设置块大小的呢?这里面涉及到Linux针对块大小设置的一个小小算法。在此结合源码对Linux的这个方法加以说明。

 

总体来说,Linux决定buffer cache块大小采用的是“最大块大小”的设计思想。Linux根据块设备容量决定buffer cache的块大小,并且将值域限定在512B4KB之间。当然,这个值域内的元素不是连续的,并且都是2的幂。在这个值域的基础上取块设备大小的最大公约数,这个值就是buffer cache的块大小。这种算法的指导思想就是buffer cache的块越大越好,因此,能够取2KB就不会选择512BLinux中算法实现代码如下所示:

  1. void bd_set_size(struct block_device *bdev, loff_t size)  
  2. {  
  3.                 unsigned bsize = bdev_logical_block_size(bdev);  
  4.  
  5.                 bdev->bd_inode->i_size = size;      //size为块设备大小  
  6.                 while (bsize < PAGE_CACHE_SIZE) {   //bsize不能大于Page size  
  7.                                 if (size & bsize)  
  8.                                                 break;  
  9.                                 bsize <<= 1;    //bsize只能取2的幂  
  10.                 }  
  11.                 bdev->bd_block_size = bsize;  
  12.     /* 设置buffer cache块大小 */  
  13.                 bdev->bd_inode->i_blkbits = blksize_bits(bsize);  

3, 小结

 

本文对buffer cache的性能问题进行了分析,通过实验发现当请求块比较小时,buffer cache块大小对IO性能有很大的影响。Linux根据块设备的容量采用“最大cache块”的思想决定buffer cache的块大小。在实际应用中,我们应该根据应用特征,通过实际测试来决定buffer cache块大小。