openSUSE 13.1: 第13章 I/O 性能のチューニング

第13章 I/O 性能のチューニング¶

13.1. I/O スケジューラの切り替え
13.2. 利用可能な I/O エレベータ
13.3. I/O バリアのチューニング

I/O スケジュールはストレージに対して、入出力操作をどのように送信するのかを決めるための仕組みです。 openSUSE では様々な I/O アルゴリズムに対応しています。それらのアルゴリズムは エレベータ と呼ばれ、それぞれ異なる処理用に用意されています。エレベータはストレージへの要求回数を減らすための手助けになるほか、 I/O 要求に優先順位を付けたり、 I/O 要求が指定された期限内に処理されるようにしたりすることもできます。

適切な I/O エレベータを選択する際は、処理内容だけでなくハードウエアについても注意しておく必要があります。 ATA ディスクが 1 台だけの環境や SSD, RAID アレイやネットワークストレージシステムでは、それぞれ異なるチューニング戦略を立てる必要があります。

13.1. I/O スケジューラの切り替え¶

openSUSE では、システムの起動時に既定の I/O スケジューラが設定されていて、これらはブロックデバイスごとに即時に変更することができます。これにより、システムパーティションを提供するデバイスとデータベースを提供するデバイスなどで、異なるアルゴリズムを設定できるようになっています。

既定では、 CFQ (Completely Fair Queuing; 完全公平型キューイング) が使用されます。起動パラメータで変更を行ないたい場合は、下記のように指定します:

elevator=SCHEDULER

ここで SCHEDULER には cfq, noop, deadline のいずれかを指定します。詳しくは 13.2項「利用可能な I/O エレベータ」をお読みください。

また、稼働中のシステムで特定のデバイスに対してエレベータを設定するには、下記のように実行します:

echo SCHEDULER > /sys/block/DEVICE/queue/scheduler

ここで SCHEDULER には cfq, noop, deadline のいずれかを指定します。また、 DEVICE にはブロックデバイス名 (sda など) を指定します。

13.2. 利用可能な I/O エレベータ¶

openSUSE では、下記のエレベータを使用することができます。それぞれのエレベータにはチューニング可能なパラメータが存在していて、これらは下記のコマンドで設定することができます:

echo VALUE > /sys/block/DEVICE/queue/iosched/TUNABLE

ここで DEVICE にはブロックデバイス名、 TUNABLE にはパラメータ名称、 VALUE にはパラメータの値をそれぞれ指定します。

どのエレベータが現在の既定値であるのかを調べるには、下記のコマンドを実行します。現在選択されているエレベータは大括弧で括られて表示されます:

jupiter:~ # cat /sys/block/sda/queue/scheduler
noop deadline [cfq]

13.2.1. `CFQ` (Completely Fair Queuing; 完全公平型キューイング)¶

CFQ は公平性を目指したスケジューラで、 openSUSE では既定値になっています。このアルゴリズムは各スレッドに対し、 I/O リクエストを送信できる時間間隔 (タイムスライス) を付与します。この方法により、各スレッドは I/O スループットを公平に共有することができるようになっています。また、スケジューリングの決定に際して I/O 優先順位を割り当てることもできます (詳しくは man 1 ionice をお読みください) 。 CFQ スケジューラでは、下記のパラメータを設定することができます:

/sys/block/<デバイス>/queue/iosched/slice_idle: 特定のタスクに対して割り当てられた時間 (タイムスライス) 内に処理したい I/O 要求が存在しなくなった場合、 I/O スケジューラは I/O の遅延を考慮して、次のスレッドにスケジュールを割り当てるまでにしばらく待機を行ないます。大きく遅延しないようなメディア (SSD や多数のディスクが搭載された SAN など) の場合は、 /sys/block/<デバイス>/queue/iosched/slice_idle を 0 に設定することで、全体のスループットを高めることができます。
/sys/block/<デバイス>/queue/iosched/quantum: このオプションは、デバイスが一度に処理する要求について、その最大数を制限します。既定値は 4 に設定されています。何台かのディスクが搭載されたストレージシステムの場合は、要求を並行処理することから、制限を行なう必要はありません。また、この値を大きくすると性能を改善することができますが、場合によってはストレージ内に多くの要求を貯めこむことになるため、 I/O の遅延が大きくなることがあります。この値を変更する場合は、 /sys/block/<デバイス>/queue/iosched/slice_async_rq (既定値は 2) についても修正を行ない、タイムスライス内に処理する非同期要求 (通常は書き込み要求) について、その最大数を設定しておくことをお勧めします。
/sys/block/<デバイス>/queue/iosched/low_latency: I/O の遅延が許されないような負荷を処理する場合は、 /sys/block/<デバイス>/queue/iosched/low_latency を 1 に設定してください。

13.2.2. `NOOP`¶

スケジューラに到達した I/O 要求を、単純にそのまま流すだけのものです。複雑な I/O スケジューラを利用する際、何もしない場合と比べて性能が落ちていたりしていないかどうかを確認する際に便利なスケジューラです。

I/O のスケジューリングを自分自身で行なうようなデバイス (たとえばインテリジェント型ストレージ) や、 SSD のように機械的な動作を必要としないストレージシステムを利用している場合にも有効です。通常、これらのデバイスには DEADLINE I/O スケジューラが有効ですが、オーバーヘットが少ないという理由から、 NOOP のほうがよりよい性能を発揮できる場合もあります。

13.2.3. `DEADLINE`¶

DEADLINE は遅延回避を重視する I/O スケジューラです。それぞれの I/O 要求には期限が設定され、通常はセクタ番号を基準にしてキュー (読み込みおよび書き込み) 内の並べ替えが行なわれます。要求が期限切れにならない限り、このような「sector」キューを使用します。期限切れになるものが発生すると、期限切れの要求がなくなるまで「deadline」キューからの処理を実施します。また一般に、このアルゴリズムでは、書き込みよりも読み込みを優先して処理します。

また、この I/O スケジューラは、複数のスレッドが読み書きを行なう種類の処理で、公平性が必要とされない処理の場合に、 CFQ よりも優れた性能を提供します。たとえば SAN から変更処理で読み出しを行なうような場合や、データベース (特に「TCQ」と呼ばれる機能を使用するディスク) などで有効です。なお、 DEADLINE スケジューラには、下記のようなチューニングパラメータが存在しています:

/sys/block/<デバイス>/queue/iosched/writes_starved: 書き込み要求を送信できるようになるまでに、どれだけの読み込み要求を送信することができるのかを制御します。たとえば 3 の場合、 1 階の書き込み処理を実施する前に、 3 回の読み込み処理を実施します。
/sys/block/<デバイス>/queue/iosched/read_expire: 読み込み処理に対する期限をミリ秒単位で指定します。現在の時刻に read_expire を足した値がその期限となります。既定値は 500 です。
/sys/block/<デバイス>/queue/iosched/write_expire: /sys/block/<デバイス>/queue/iosched/read_expire と同じ仕組みで、こちらは書き込み処理に対する設定です。既定値は 500 です。

13.3. I/O バリアのチューニング¶

多くのファイルシステム (XFS, ext3, ext4, reiserfs) では、 fsync やトランザクションコミットの際に書き込みバリアと呼ばれるものをディスクに送信します。書き込みバリアは書き込みの順序を守らせるための仕組みで (いくらか性能面への影響があります) 、ディスクの書き込みキャッシュを安全に利用できるようにするためのものです。お使いのディスクにバッテリーが搭載されているような場合は、バリアを無効化することで性能を改善できる場合があります。

書き込みバリアの送信は、マウントオプションに barrier=0 (ext3, ext4, reiserfs の場合) や nobarrier (XFS) を設定することで無効化できます。


バリアを無効化した場合、電源が失われたような場合に書き込みキャッシュの内容の書き込みについて、保証がされなくなります。これにより、ファイルシステムの破壊やデータ損失が発生する場合があることにご注意ください。