块设备与 I/O 调度：从寻道时间到多队列

一句话定义

块设备（磁盘/SSD）以固定大小的块为读写单位，其机械或电气特性决定了访问代价模型；I/O 调度器通过合并与排序请求来优化这个代价，其设计随介质从 HDD 演进到 NVMe 而彻底改写。

为什么重要

存储是冯·诺依曼体系中最慢的一环（kp-002 的数量级表）。同一个数据库查询，随机 I/O 与顺序 I/O 在 HDD 上差百倍——理解块设备的代价模型，才能理解数据库页大小、日志结构文件系统（kp-023）、LSM 树（kp-025）这些"为什么偏偏这样设计"。

前置知识

kp-002（DMA 与中断）；kp-026（请求如何提交到设备）。

核心概念

• 扇区/块/簇：扇区是介质最小读写单元（512B 或 4KB），块是文件系统与内核的分配/传输单位，簇是 FAT 系的叫法。
• HDD 代价模型：服务时间 ≈ 寻道 + 旋转延迟 + 传输，前两项主导且与访问模式强相关。
• I/O 调度器：请求队列的管理者：合并相邻、排序寻道、公平配额。
• 调度器谱系：noop → deadline（防饥饿）→ CFQ（按进程公平）→ BFQ → mq-deadline/none（多队列时代）。
• 多队列（blk-mq）：NVMe 每核独立队列，消除单锁队列的争用瓶颈。

原理与机制

HDD 代价量化（7200 转典型值）：寻道 4~9ms，旋转延迟平均 4.2ms（半圈），传输 1MB 约 1ms。则：

顺序读 1MB:   寻道+旋转(8ms) + 传输(1ms)      ≈ 9ms   -> ~110 MB/s
随机读 1MB:   250次 x 4KB, 每次 8ms           ≈ 2000ms -> ~0.5 MB/s
           同一块盘, 随机访问吞吐跌落 200 倍

I/O 调度器存在的意义就是把随机流"整形"成尽量顺序的流：相邻扇区请求合并成一个大请求；电梯算法（SCAN）让磁头单向扫过盘面沿途服务，避免来回摆动；deadline 为每个请求设超时防止老请求饿死。SSD 没有机械寻道，随机与顺序的差距缩小到几倍，调度排序失去意义——因此 NVMe 时代默认调度器多为 none（透传），仅保留合并；blk-mq 多队列则把"每设备一个加锁队列"改为每核队列，匹配 NVMe 数十万 IOPS 的并行度。

公式或模型

HDD 服务时间模型：T = T_seek + T_rot + T_xfer，随机小 I/O 中 T_seek + T_rot 占 90% 以上——一切"凑顺序"的技术（日志、预读、LSM）都在压缩这两项的占比。

直观类比

HDD 调度像电梯算法本尊：只上行时接人、只下行时接人，绝不来回蹿。SSD 多队列像把单收发室改成每层楼一个快递柜：没有中央排队，各取各的。

实例或案例

lsblk -o NAME,ROTA,SIZE,TYPE      # ROTA=1 机械盘, 0 固态
cat /sys/block/sda/queue/scheduler  # 查看与切换调度器: none mq-deadline bfq
iostat -x 1                       # r/s, w/s, await(单请求毫秒), util(设备繁忙度)
hdparm -t /dev/sda                # 顺序读吞吐基准（只读测试，谨慎使用）
fio --name=r4k --rw=randread --bs=4k --size=1g --runtime=10 --time_based  # 标准基准工具

实验：iostat -x 下先 cat 一个大文件（await 低），再随机 dd 跳读（await 飙升），直观感受访问模式的影响。

常见误区

• 用顺序吞吐评价 SSD：4K 随机 IOPS 才是数据库与虚拟机的关键指标。
• 认为块大小 = 扇区大小：块是软件层分配单位（常 4KB），扇区是介质单位（512B/4KB），两者可不同。
• 认为 SSD 不需要任何调度：合并写请求、限流防抖（尤其配合 cgroup）仍有价值，只是排序失效。

与其他知识点的关系

请求队列本身就是 kp-013 生产者-消费者的实例；预读与合并依赖 kp-027 页缓存；NVMe 并行队列与 kp-028 的 io_uring 相互成就。

延伸阅读

《操作系统概念》第 10 章大容量存储结构；内核文档 Documentation/block。

自测题

1. HDD 随机 4K I/O 为什么比顺序慢两个数量级？

答：每次随机访问都要重新付寻道与旋转延迟（约 8ms），顺序访问只付一次后连续传输，故随机吞吐被机械延迟封顶。

1. elevator 算法解决什么问题、引入什么新问题？

答：SCAN 单向扫盘合并请求减少寻道；新问题是磁头端请求可能被反复跳过而饥饿，需 deadline 等超时机制补偿。

1. NVMe 为什么弃用传统调度器？

答：无机械寻道使排序无收益；数十万 IOPS 下单队列加锁成为瓶颈，blk-mq 每核队列加 none 透传成为更优解。