Linux AIO: плохое масштабирование

Я пишу библиотеку, которая использует системные вызовы асинхронного ввода / вывода Linux, и хотела бы знать, почему io_submit функция показывает плохое масштабирование в файловой системе ext4. Если возможно, что я могу сделать, чтобы получить io_submit не блокировать при больших размерах ввода-вывода? Я уже делаю следующее (как описано Вот):

• использование O_DIRECT,
• Выровняйте буфер ввода-вывода по границе 512 байт.
• Установите размер буфера, кратный размеру страницы.

Чтобы наблюдать, как долго ядро ​​тратит io_submit, Я запустил тест, в котором я создал тестовый файл 1 Гб, используя dd а также /dev/urandomи неоднократно сбрасывал системный кеш (sync; echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches) и прочитайте все более крупные части файла. На каждой итерации я печатал время io_submit и время, потраченное на ожидание завершения запроса на чтение. Я провел следующий эксперимент на системе x86-64 под управлением Arch Linux с версией ядра 3.11. У машины есть SSD и процессор Core i7. На первом графике показано количество прочитанных страниц и время, потраченное на ожидание. io_submit заканчивать. На втором графике показано время, потраченное на ожидание завершения запроса на чтение. Время измеряется в секундах.

Для сравнения я создал аналогичный тест, который использует синхронный ввод-вывод с помощью pread, Вот результаты:

Кажется, что асинхронный ввод-вывод работает, как и ожидалось, до размеров запросов около 20000 страниц. После этого, io_submit блоки. Эти наблюдения приводят к следующим вопросам:

• Почему не время выполнения io_submit постоянная?
• Что вызывает это плохое масштабирование?
• Нужно ли разбивать все запросы на чтение в файловых системах ext4 на несколько запросов, каждый размером менее 20000 страниц?
• Откуда эта «волшебная» ценность в 20 000? Если я запускаю свою программу в другой системе Linux, как я могу определить наибольший размер запроса ввода-вывода, чтобы не испытывать плохое поведение при масштабировании?

Код, используемый для проверки асинхронного ввода-вывода, приведен ниже. Я могу добавить другие списки источников, если вы считаете, что они актуальны, но я постарался опубликовать только те детали, которые, по моему мнению, могут быть релевантными.

#include <cstddef>
#include <cstdint>
#include <cstring>
#include <chrono>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
// For `__NR_*` system call definitions.
#include <sys/syscall.h>
#include <linux/aio_abi.h>

static int
io_setup(unsigned n, aio_context_t* c)
{
return syscall(__NR_io_setup, n, c);
}

static int
io_destroy(aio_context_t c)
{
return syscall(__NR_io_destroy, c);
}

static int
io_submit(aio_context_t c, long n, iocb** b)
{
return syscall(__NR_io_submit, c, n, b);
}

static int
io_getevents(aio_context_t c, long min, long max, io_event* e, timespec* t)
{
return syscall(__NR_io_getevents, c, min, max, e, t);
}

int main(int argc, char** argv)
{
using namespace std::chrono;
const auto n = 4096 * size_t(std::atoi(argv[1]));

// Initialize the file descriptor. If O_DIRECT is not used, the kernel
// will block on `io_submit` until the job finishes, because non-direct
// IO via the `aio` interface is not implemented (to my knowledge).
auto fd = ::open("dat/test.dat", O_RDONLY | O_DIRECT | O_NOATIME);
if (fd < 0) {
::perror("Error opening file");
return EXIT_FAILURE;
}

char* p;
auto r = ::posix_memalign((void**)&p, 512, n);
if (r != 0) {
std::cerr << "posix_memalign failed." << std::endl;
return EXIT_FAILURE;
}
auto del = [](char* p) { std::free(p); };
std::unique_ptr<char[], decltype(del)> buf{p, del};

// Initialize the IO context.
aio_context_t c{0};
r = io_setup(4, &c);
if (r < 0) {
::perror("Error invoking io_setup");
return EXIT_FAILURE;
}

// Setup I/O control block.
iocb b;
std::memset(&b, 0, sizeof(b));
b.aio_fildes = fd;
b.aio_lio_opcode = IOCB_CMD_PREAD;

// Command-specific options for `pread`.
b.aio_buf = (uint64_t)buf.get();
b.aio_offset = 0;
b.aio_nbytes = n;
iocb* bs[1] = {&b};

auto t1 = high_resolution_clock::now();
auto r = io_submit(c, 1, bs);
if (r != 1) {
if (r == -1) {
::perror("Error invoking io_submit");
}
else {
std::cerr << "Could not submit request." << std::endl;
}
return EXIT_FAILURE;
}
auto t2 = high_resolution_clock::now();
auto count = duration_cast<duration<double>>(t2 - t1).count();
// Print the wait time.
std::cout << count << " ";

io_event e[1];
t1 = high_resolution_clock::now();
r = io_getevents(c, 1, 1, e, NULL);
t2 = high_resolution_clock::now();
count = duration_cast<duration<double>>(t2 - t1).count();
// Print the read time.
std::cout << count << std::endl;

r = io_destroy(c);
if (r < 0) {
::perror("Error invoking io_destroy");
return EXIT_FAILURE;
}
}