第一百四十六章：块设备层
合道期涉及内核源码：
一
林小源沿着设备山脉的底层通道前行，脚下的石板路越来越宽阔，空气中弥漫着一股沉闷的机械震动声。通道的尽头是一片巨大的调度广场，五座形态各异的石台矗立在广场中央，每座石台上都刻着不同的符文。
一个身披灰色长袍的老者盘坐在最近的石台旁，手中不断翻转着一堆竹简。那些竹简上写满了 I/O 请求，老者时不时将两片相邻的竹简合为一片，动作利落而精准。
"你是 I/O 调度器？"林小源走上前问。
老者抬起头，浑浊的眼睛里闪过一丝精光："我是 noop——最简单的调度器。我什么都不做，来什么发什么。"他随手把两片竹简直接丢进了身后的传送阵。
林小源皱眉："那岂不是毫无优化？"
noop 老者笑了："你脚下踩的是什么路？"
"石板路。"
"如果这条路是 SSD 的闪存通道——没有磁头，没有寻道，我排不排序有什么区别？"noop 老者拍了拍石台，"排序是给机械盘用的，对闪存来说，直接发送才是最快的。"
林小源正要追问，广场另一端传来一个低沉的声音："别听他瞎说。"
一个戴着铁面具的壮汉从阴影中走出，每一步都带着沉重的金属回响。他的面具上刻着一个沙漏的图案，沙漏中的沙子正在缓缓流逝。
"我是 deadline。"壮汉的声音像是从地底传来，"机械盘的磁头来回寻道，如果不管顺序，一个写请求可能被无限推迟——这就是饥饿。我给每个请求一个截止时间，到期必须处理。"
林小源感到脚下的石板微微震动，像是有什么东西在地底深处运转。他低头看去，发现石板下面是一条条交错的轨道，每条轨道上都有一个闪烁着红光的计时器。
"如果请求在截止时间前完成了呢？"林小源问。
deadline 壮汉点头："那最好。但如果快到期了还没处理，我会把它提到队列最前面——这就是防止饥饿的关键。"
林小源琢磨了一下——说到底，调度就是一种优化手段，让磁盘少做无用功。
/*
* I/O 调度器:
*
* 1. noop
* 不调度，直接发送
* 适合 SSD
*
* 2. deadline
* 保证请求在截止时间前完成
* 防止饥饿
*
* 3. cfq (Completely Fair Queuing)
* 完全公平队列
* 为每个进程分配时间片
* 适合 HDD
*
* 4. mq-deadline
* 多队列版本的 deadline
* 适合现代 SSD
*
* 5. bfq (Budget Fair Queuing)
* 预算公平队列
* 适合桌面系统
*
* 调度器的作用:
* 合并: 合并相邻的请求
* 排序: 按扇区排序减少寻道
* 优先级: 保证重要请求优先
*/
printf("=== I/O 调度器 — 优化磁盘访问 ===\n\n");
printf("I/O 调度器:\n\n");
printf("1. noop:\n");
printf(" 不调度，直接发送\n");
printf(" 适合 SSD\n\n");
printf("2. deadline:\n");
printf(" 保证截止时间\n");
printf(" 防止饥饿\n\n");
printf("3. cfq:\n");
printf(" 完全公平队列\n");
printf(" 适合 HDD\n\n");
printf("4. mq-deadline:\n");
printf(" 多队列 deadline\n");
printf(" 适合现代 SSD\n\n");
printf("5. bfq:\n");
printf(" 预算公平队列\n");
printf(" 适合桌面系统\n\n");
printf("--- 调度器的作用 ---\n");
printf("合并:\n");
printf(" 合并相邻的请求\n");
printf(" 减少 I/O 次数\n\n");
printf("排序:\n");
printf(" 按扇区排序\n");
printf(" 减少磁盘寻道\n\n");
printf("优先级:\n");
printf(" 保证重要请求优先\n\n");
printf("--- 查看和设置调度器 ---\n");
printf("查看:\n");
printf(" cat /sys/block/sda/queue/scheduler\n\n");
printf("设置:\n");
printf(" echo mq-deadline > /sys/block/sda/queue/scheduler\n\n");
printf("--- SSD vs HDD ---\n");
printf("HDD:\n");
printf(" 机械磁盘\n");
printf(" 寻道时间长\n");
printf(" 需要排序优化\n\n");
printf("SSD:\n");
printf(" 闪存\n");
printf(" 无寻道时间\n");
printf(" 不需要排序\n");#include <stdio.h>
/*
* I/O 调度器:
*
* 1. noop
* 不调度，直接发送
* 适合 SSD
*
* 2. deadline
* 保证请求在截止时间前完成
* 防止饥饿
*
* 3. cfq (Completely Fair Queuing)
* 完全公平队列
* 为每个进程分配时间片
* 适合 HDD
*
* 4. mq-deadline
* 多队列版本的 deadline
* 适合现代 SSD
*
* 5. bfq (Budget Fair Queuing)
* 预算公平队列
* 适合桌面系统
*
* 调度器的作用:
* 合并: 合并相邻的请求
* 排序: 按扇区排序减少寻道
* 优先级: 保证重要请求优先
*/
int main() {
printf("=== I/O 调度器 — 优化磁盘访问 ===\n\n");
printf("I/O 调度器:\n\n");
printf("1. noop:\n");
printf(" 不调度，直接发送\n");
printf(" 适合 SSD\n\n");
printf("2. deadline:\n");
printf(" 保证截止时间\n");
printf(" 防止饥饿\n\n");
printf("3. cfq:\n");
printf(" 完全公平队列\n");
printf(" 适合 HDD\n\n");
printf("4. mq-deadline:\n");
printf(" 多队列 deadline\n");
printf(" 适合现代 SSD\n\n");
printf("5. bfq:\n");
printf(" 预算公平队列\n");
printf(" 适合桌面系统\n\n");
printf("--- 调度器的作用 ---\n");
printf("合并:\n");
printf(" 合并相邻的请求\n");
printf(" 减少 I/O 次数\n\n");
printf("排序:\n");
printf(" 按扇区排序\n");
printf(" 减少磁盘寻道\n\n");
printf("优先级:\n");
printf(" 保证重要请求优先\n\n");
printf("--- 查看和设置调度器 ---\n");
printf("查看:\n");
printf(" cat /sys/block/sda/queue/scheduler\n\n");
printf("设置:\n");
printf(" echo mq-deadline > /sys/block/sda/queue/scheduler\n\n");
printf("--- SSD vs HDD ---\n");
printf("HDD:\n");
printf(" 机械磁盘\n");
printf(" 寻道时间长\n");
printf(" 需要排序优化\n\n");
printf("SSD:\n");
printf(" 闪存\n");
printf(" 无寻道时间\n");
printf(" 不需要排序\n");
return 0;
}二
林小源继续向广场深处走去，第三座石台前坐着一个面容和善的中年人。他的面前摆着一个巨大的天平，天平两端各放着一堆竹简，每一堆都标记着不同的进程名。
"我是 cfq。"中年人温和地说，"完全公平队列。每个进程都分到一块时间片，谁也不能独占磁盘。"
林小源观察了一会儿，发现天平始终保持着微妙的平衡。每当一个进程的竹简用完了时间片，中年人就把它移到天平的另一端，换下一个进程上来。
"这不是很慢吗？"林小源问，"频繁切换不会增加开销？"
cfq 中年人叹了口气："HDD 的磁头移动才是最大的开销。如果不公平分配，一个大文件拷贝可能把所有其他进程的请求饿死。公平，有时候比速度更重要。"
他指了指广场最远处的一座石台——那上面刻着 "bfq" 三个字，旁边站着一个拿着小算盘的年轻人。
"bfq 是我的徒弟，"cfq 说，"他在公平的基础上加了预算机制。每个进程不只分到时间片，还分到一个 I/O 预算。预算用完了才切换，减少了切换次数。桌面系统用他最合适。"
林小源望向 bfq，年轻人正专注地拨弄着算盘珠子，每拨一颗珠子就有一批竹简被整齐地排列好送出去。
他忽然明白，调度器不是万能的，得跟硬件配合才行。
三
广场的最深处是一座崭新的建筑，墙壁上嵌满了并排的传送阵。每个传送阵前都有一个独立的调度台，台后各坐着一个穿着统一制服的调度员。
"这是多队列区域。"一个穿着银色铠甲的年轻人从建筑中走出，他的胸甲上刻着 "mq-deadline" 的铭文，"我是 mq-deadline——多队列版本的 deadline。"
林小源数了数，面前至少有十六个传送阵，每个都在独立运转。
"NVMe SSD 有多个硬件队列，"mq-deadline 解释道，"如果还用传统的单队列调度器，所有请求都要排队等同一把锁——锁竞争会把多队列的优势全部吃掉。"
他走到一个传送阵前，轻松地将一批竹简送了进去："每个队列我独立调度，互不干扰。锁？不需要。这就是并行的力量。"
林小源感到脚下的震动变得均匀而轻快——不像之前单队列区域那种忽快忽慢的节奏。每个传送阵都在以自己的频率稳定运转，整个建筑像是一台精密的瑞士钟表。
"那 noop 呢？他不是更适合 SSD 吗？"林小源问。
mq-deadline 摇了摇头："noop 太简单了——它连截止时间都不管。如果你的 SSD 上有延迟敏感的请求，noop 可能让你等到天荒地老。我在保持并行的同时，还能保证每个请求不会饿死。"
这下他懂了——多队列就是并行的基础，每个队列各干各的，谁也不用等谁。
道藏笔记
内核启示
I/O 调度器的核心思路很简单：既然磁盘寻道慢，那就别让磁头来回跳。noop 什么都不管，直接发给硬件，SSD 用它最合适；deadline 给每个请求设个截止时间，过期必须处理，防止饿死；cfq 按进程分时间片，追求公平；mq-deadline 是 deadline 的多队列版本，适合 NVMe 这种多通道设备；bfq 在公平的基础上加了预算机制，桌面系统用着舒服。调度器干的事归纳起来就三样：合并相邻请求、按扇区排序、保证重要请求优先。选哪个调度器，取决于你的硬件和负载——没有万能方案，只有合适的权衡。
I/O 调度器之试
块设备层中，按截止时间避免请求长期饥饿的 I/O 调度策略叫什么？