direct-io

这两天抽时间把以前的一个遗留的direct-io问题跟踪了下。

       Direct-io的目的在于绕过fs的cache，直接对block设备上的文件进行读写，其目的在于提高读写性能（以读为例，毕竟少了一次从fs cache 到用户态buffer的拷贝过程），这在文件仅读/写一次的情况下应该是比较比默认的读/写方式效率高（理论上）。

       首先，direct-io是以block设备的block块大小为单位进行读写，因此，用户态分配的buffer的length至少要为block块的整数倍。之所以为一个遗留问题，是因为用户态的所使用的buffer是由一块自己管理的IO内存来分的（以页为分配的基本单位，而vaddr则是由mmap默认去选择的，这里mmap会去调用find_vma从而随机的得到一个vaddr），由于脑袋中想的一直是物理页是以页为单位分配的，页就当然是block块的整数倍，因此在地址上没有多加考虑。问题就出在这里，direct-io要的虚拟内存连续，与你paddr没关系!-_-!（当然有关系，普通的内存管理中，虚拟地址到物理地址的转换是通过查询页表来实现的，页表记录着 paddr >> PAGE_SHIFT, 即页帧号，虚拟地址的在虚拟页帧内的偏移与物理地址页偏移是相同的，在IOMEM用mmap来实物理地址到虚拟地址的转换，而这个地址我们又是让kernel来选择，当然就无法保证页对其，所以fs就认为其物理地址也是非页对其，从而出现了这个现象），因此当初在使用iomem的时候就一直出 INVALID的错误，确还怀疑iomem的页表管理与普通mem页表管理不同（实际没差别）？这里贴出kernel中对vaddr检查的代码：

 

if (offset & blocksize_mask) {
        if (bdev)
             blkbits = bdev_blkbits;
        blocksize_mask = (1 << blkbits) - 1;
        if (offset & blocksize_mask)
            goto out;
    }
    for (seg = 0; seg < nr_segs; seg++) {
        addr = (unsigned long)iov[seg].iov_base;
        size = iov[seg].iov_len;
        end += size;
        if ((addr & blocksize_mask) || (size & blocksize_mask)) {
            if (bdev)
                 blkbits = bdev_blkbits;
            blocksize_mask = (1 << blkbits) - 1;
            if ((addr & blocksize_mask) || (size & blocksize_mask))
                goto out;
        }
    }
//注：iov：管理用户态buffer， offset为读写的起始地址（当然也该block块大小对齐）

问题找到了，接下来就应该测试下这个direct-io到底有多好的性能(在x86下用系统内存进行测试)

测试代码如下：

 

#define TESTFILE "test"
#define BUFFSIZE (4096)

int
main(void)
{
    int fd, ret, i;
    void *buff, *align;

    buff = valloc(BUFFSIZE);
    if ( !buff ) {
        perror("alloc failed");
        return -1;
    }

    fd = open(TESTFILE, O_RDONLY | O_DIRECT, 0666); //在这里区别是否用direct-io
    if ( fd <= 0 ) {
        perror("open file directly failed");
        return -1;
    }

    for ( i = 0; i < 10240; i++) {
        ret = read( fd, buff, BUFFSIZE);
        if ( ret < 0 ) {
            perror("read failed");
        }
    }

    free(buff);
    return 0;
}

这里循环读写 4k*10240 = 40M的数据，可测试结果确出乎人意外。这里做了direct 和non-direct的测试，在测试前均刷了系统的页高速缓存和目录项缓存（echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches ），这样，读test文件都应该从block设备读，应该满足测试要求。

direct-io测试结果：

real  0m1.216s

user 0m0.008s

sys  0m0.568s

non-direct-io测试结果：

real  0m0.639s

user 0m0.000s

sys  0m0.048s

这样不管是指令的执行时间还是在内核态的是时间，非direct-io都要少于direct-io，世界怎么反过来了？Why？接下去要好好查查原因

原因： 在进行DirectIO读写时，fs会根据用户态请求 iovec，将请求封为一个bio，将这个bio交给block层去填数据。由于bio是根据iovec来的，因此，fs就不可能实现文件的预读，而非directIO系统会根据当前的操作调整文件的预读窗口，将后续内容读到页高速缓存，这样后续的读操作就完全是mem copy了，速度当然是directIO不可比的。我们可以在非directIO时关掉系统预读来测测其性能。代码如下：

 

#define TESTFILE "test"
#define BUFFSIZE (4096)

int
main(void)
{
    int fd;
    int ret;
    void *buff, *align;
    int i = 0;

    buff = valloc(BUFFSIZE);
    if ( !buff ) {
        perror("alloc failed");
        return -1;
    }

    fd = open(TESTFILE, O_RDONLY , 0666);
    if ( fd <= 0 ) {
        perror("open file directly failed");
        return -1;
    }

#if 1
    ret = posix_fadvise(fd, 0, 0, POSIX_FADV_RANDOM); //这里将文件的访问方式改为随机读，这样系统就会关闭其
    if ( ret ) {                                      //预读窗口
        printf("disable readahead disabled failed\n");
    }
#endif

    for ( i = 0; i < 10240; i++ ) {
        ret = read( fd, buff, BUFFSIZE);
        if ( ret < 0 ) {
            perror("read failed");
        }
    }

    free(buff);
    return 0;
}

测试结果如下：

real 0m1.259s
user 0m0.000s
sys 0m0.608s
这样是不是就是我们想看到的结果了，无论是real、sys directIO都少于non-directIO。

     看来direct-IO并不是我们想象中的利器，并不能有效的提高我们的性能。但既然存在，应该有它存在的意义吧。从实验可以猜出一二：首先，数据访问方式为随机访问，但只访问一次（怎么可能呢， 开玩笑了）。使用directIO就意味着不会消耗系统的缓冲，也就是说减轻了内存回收的压力，因此，它可能存在的意义在于，存在自己管理文件cache的情况（例如数据库）。

      Ok，后面有时间会给出directIO的具体流程。