Недавно на одном из виртуальных серверов столкнулся с проблемой долгой записи на диск. И под эту тему нашел интересную статью, в которой подробно рассмотрен вопрос функционирования кэширования операций записи на диск в Linux. Сегодня будет перевод этой статьи.

Кэширование в Linux

При записи данных на диск (любой программой) Linux кэширует эту информацию в области памяти, называемой Page Cache (страничный кэш). Информацию об этой области памяти можно посмотреть с помощью команд free, vmstat или top. Полную информацию об этой области памяти можно посмотреть в файле /proc/meminfo. Ниже приведен пример этой файла на сервере с 4-мя GB RAM:

MemTotal: 3950112 kB
MemFree: 622560 kB
Buffers: 78048 kB
Cached: 2901484 kB
SwapCached: 0 kB
Active: 3108012 kB
Inactive: 55296 kB
HighTotal: 0 kB
HighFree: 0 kB
LowTotal: 3950112 kB
LowFree: 622560 kB
SwapTotal: 4198272 kB
SwapFree: 4198244 kB
Dirty: 416 kB
Writeback: 0 kB
Mapped: 999852 kB
Slab: 57104 kB
Committed_AS: 3340368 kB
PageTables: 6672 kB
VmallocTotal: 536870911 kB
VmallocUsed: 35300 kB
VmallocChunk: 536835611 kB
HugePages_Total: 0
HugePages_Free: 0
Hugepagesize: 2048 kB

Размер Page Cache показан в параметре "Cached", в данном примере он составляет 2,9 GB. При записи страниц в память размер параметра "Dirty" увеличивается. При начале непосредственно записи на диск будет увеличиваться параметр "Writeback" до тех пор, пока запись не закончится. Достаточно сложно увидеть параметр "Writeback" высоким, так как его значение увеличивается только во время опроса, когда операции ввода/вывода (I/O) поставлены в очередь, но еще не записаны на диск.
Linux обычно записывает данные из кэша на диск с помощью процесса pdflush. В любой момент в системе запущено от 2 до 8 потоков pdflush. В файле /proc/sys/vm/nr_pdflush_threads можно посмотреть сколько в данный момент активных потоков. Каждый раз все существующие потоки pdflush заняты по крайней мере 1 секунду. Новые потоки пытаются записать данные в свободные очереди устройств, таким образом, чтобы на каждое активное устройство был 1 поток сбрасывающий данные из кэша. Каждый раз по прошествии секунды без какой либо активности со стороны pdflush убирается 1 поток. В Linux можно настроить минимальное и максимальное количество pdflush потоков.

Настройка pdflush

Каждый поток pdflush контролируется несколькими параметрами в /proc/sys/vm:

• /proc/sys/vm/dirty_writeback_centisecs (default 500): в сотых долях секунд. Этот параметр означает как часто pdflush возобновляет работу для записи данных на диск. По умолчанию возобновляет работу 2 потока каждые 5 секунд.
  Возможно недокументированное поведение, которое пресекает попытки уменьшения dirty_writeback_centisecs для более агрессивного кэширования данных процессом pdflush. Например, в ранних версиях ядра 2.6 Linux в файле mm/page-writeback.c код включал логику, которая описывалась "если запись на диск длится дольше, чем параметр dirty_writeback_centisecs, тогда нужно поставить интервал в 1 секунду". Эта логика описана только в коде ядра, и ее функционирование зависит от версии ядра Linux. Так как это не очень хорошо, поэтому вы будете защищены от уменьшения этого параметра.
• /proc/sys/vm/dirty_expire_centiseconds (default 3000): в сотых долях секунд. Этот параметр указывает как долго данные могут находится в кэше, после чего должны быть записаны на диск. Значение по умолчанию очень долгое: 30 секунд. Это означает, что при нормальной работе до тех пор пока в кэш не запишется достаточно данных для вызова другого метода pdflush, Linux не будет записывать данные на диск, находящиеся в кэше менее 30 секунд.
• /proc/sys/vm/dirty_background_ratio (default 10): Максимальный процент оперативной памяти, который может быть заполнен страничным кэшем до записи данных на диск. Некоторые версии ядра Linux могут этот параметр устанавливать в 5%.

  В большинстве документации этот параметр описывается как процент от общей оперативной памяти, но согласно исходным кодам ядра Linux это не так. Глядя на meminfo, параметр dirty_background_ratio расчитывается от величины MemFree + Cached - Mapped. Поэтому для нашей демонстрационной системы 10% составляет немного меньше, чем 250MB, но не 400MB.

Итого: Когда pdflush начинает запись?

В конфигурации по умолчанию, данные, записываемые на диск, находятся в памяти до тех пор пока:

• они дольше 30 секунд находятся в памяти;
• кэшированные страницы занимают более 10% рабочей памяти.

Если на сервере операции записи происходят часто, то однажды будет достигнут параметр dirty_background_ratio, и вы сможете увидеть, что вся запись на диск идет только через этот параметр не дожидаясь истечения параметра dirty_expire_centiseconds.

Процесс записи страниц

Параметр /proc/sys/vm/dirty_ratio (default 40): Максимальный процент общей оперативной памяти, который может быть выделен под страничный кэш, до того как pdflush будет писать данные на диск.

Примечание: Во время записи на диск все процессы блокируются на запись, не только тот который заполнил буфер на запись. Это может вызвать спровоцировать блокировку одним процессов всех операций вводы/вывода в системе. Провести этот

Рекомендации по оптимизации Linux для операций, требующий частой записи

Обычно люди при попытке увеличения производительности дисковой подсистемы сталкиваются с проблемой, что Linux буферизует слишком много информации сразу. Это особенно трудно для операций, требующий синхронизации файловой системы, использующих вызовы fsync. Если во время такого вызова в кэше много данных, то система может "подвиснуть" пока не закончится этот вызов.
Другая частая проблема происходит потому что слишком много требуется записать до того, как начнется запись на физический диск, операции ввода/вывода происходят чаще, чем при нормальной работе. Вы получите более долгие периоды, когда запись на диск не происходит, пока большой кэш не будет заполнен, после чего сработает один из триггеров pdflush и данные запишутся на максимальной скорости.

dirty_background_ratio: Основной инструмент настройки, обычно уменьшают этот параметр. Если ваша цель снизить количество данных, хранимое в кэше, так что данные будут писаться на диск постепенно, а не все сразу, то уменьшение этого параметра наиболее эффективный путь. Более приемлемо значение по умолчанию для систем имеющих много оперативной памяти и медленные диски.

dirty_ratio: Второй по значимости параметр для настройки. При значительном снижении этого параметра приложения, которые должны писать на диск, будут блокироваться все вместе.

dirty_expire_centisecs: Попробуйте уменьшить, но не сильно. Позволяет уменьшить время нахождения страниц в кэше до записи на диск, но это значительно снизит среднюю скорость записи на диск, т.к. это менее эффективно. Это особенно проявится на системах с медленными дисками.

Инструкция по настройке параметров

В файле /etc/sysctl.conf вносим, например:

vm.dirty_background_ratio = 10
vm.dirty_ratio = 40

После синхронизируем данные кэша и диска, очистим кэш и сохраним параметры.