Уменьшение числа случайных операций чтения IOP на NVME SSD, если запросы выполняются в небольшом регионе

Question

(TL;DR) На твердотельных накопителях NVME (как Intel p3600, так и Avant) наблюдается уменьшение количества операций ввода-вывода в секунду, если я выполняю произвольное чтение на небольшом подмножестве диска вместо всего диска.

Считывая одно и то же смещение снова и снова, IOPS составляет около 36-40K для размера блока 4k. Количество операций ввода-вывода в секунду постепенно увеличивается по мере того, как я увеличиваю регион, в котором выдается случайное чтение. Программа (см. Ниже) использует асинхронный ввод-вывод в Linux для отправки запросов на чтение.

Disk Range(in 4k blocks), IOPS 
0, 38833 
1, 68596 
10, 76100 
30, 80381 
40, 113647 
50, 148205 
100, 170374 
200, 239798 
400, 270197 
800, 334767

ОС: Linux 4.2.0-35-generic

SSD: Intel P3600 NVME Flash

Что может быть причиной этой проблемы?

Программа может быть запущена следующим образом

$ for i in 0 1 10 30 40 50 100 200 400 800
do 
<program_name> /dev/nvme0n1 10 $i 
done

и подтвердите, если вы также видите увеличение IOPS, которое вы видели выше

   /**
 * $ g++ <progname.cpp> -o progname -std=c++11 -lpthread -laio -O3
 * $ progname /dev/nvme0n1 10 100
 */
#include <random>
#include <libaio.h>
#include <stdlib.h>//malloc, exit
#include <future> //async
#include <unistd.h> //usleep
#include <iostream>
#include <sys/time.h> // gettimeofday
#include <vector>
#include <fcntl.h> // open
#include <errno.h>
#include <sys/types.h> // open
#include <sys/stat.h> // open
#include <cassert>
#include <semaphore.h>

io_context_t ioctx;
std::vector<char*> buffers;
int fd = -1;
sem_t sem;

constexpr int numPerRound = 20;
constexpr int numRounds  = 100000;

constexpr int MAXEVENT = 10;
constexpr size_t BLKSIZE = 4096;
constexpr int QDEPTH = 200;

off_t startBlock = 0;
off_t numBlocks = 100;

const int numSubmitted = numRounds * numPerRound;

void DoGet()
{
  io_event eventsArray[MAXEVENT];
  int numCompleted = 0;
  while (numCompleted != numSubmitted)
  {
    bzero(eventsArray, MAXEVENT * sizeof(io_event));
    int numEvents;
    do {
      numEvents = io_getevents(ioctx, 1, MAXEVENT, eventsArray, nullptr);
    } while (numEvents == -EINTR);

    for (int i = 0; i < numEvents; i++)
    {
      io_event* ev = &eventsArray[i];
      iocb* cb = (iocb*)(ev->data);
      assert(ev->res2 == 0);
      assert(ev->res == BLKSIZE);
      sem_post(&sem); // free ioctx
    }
    numCompleted += numEvents;
  }
  std::cout << "completed=" << numCompleted << std::endl;
}


int main(int argc, char* argv[])
{
  if (argc == 1) {
    std::cout << "usage <nvme_device_name> <start_4k_block> <num_4k_blocks>" << std::endl;
    exit(1);
  }

  char* deviceName = argv[1];
  startBlock = atoll(argv[2]);
  numBlocks = atoll(argv[3]);

  int ret = 0;
  ret = io_queue_init(QDEPTH, &ioctx);
  assert(ret == 0);
  ret = sem_init(&sem, 0, QDEPTH);
 assert(ret == 0);

  auto DoGetFut = std::async(std::launch::async, DoGet);

  // preallocate buffers
  for (int i = 0; i < QDEPTH; i++)
  {
    char* buf ;
    ret = posix_memalign((void**)&buf, 4096, BLKSIZE);
    assert(ret == 0);
    buffers.push_back(buf);
  }

  fd = open("/dev/nvme0n1", O_DIRECT | O_RDONLY);
  assert(fd >= 0);

  off_t offset = 0;

  struct timeval start;
  gettimeofday(&start, 0);

  std::mt19937 generator (getpid());
  // generate random offsets within [startBlock, startBlock + numBlocks]
  std::uniform_int_distribution<off_t> offsetgen(startBlock, startBlock + numBlocks);

  for (int j = 0; j < numRounds; j++)
  {
    iocb mycb[numPerRound];
    iocb* posted[numPerRound];

    bzero(mycb, sizeof(iocb) * numPerRound);

    for (int i = 0; i < numPerRound; i++)
    {
      // same buffer may get used in 2 different async read
      // thats ok - not validating content in this program
      char* iobuf = buffers[i];
      iocb* cb = &mycb[i];

       offset = offsetgen(generator) * BLKSIZE;

      io_prep_pread(cb, fd, iobuf, BLKSIZE, offset);
      cb->data = iobuf;
      posted[i] = cb;
      sem_wait(&sem); // wait for ioctx to be free
    }

    int ret = 0;
    do {
      ret = io_submit(ioctx, numPerRound, posted);
    } while (ret == -EINTR);

    assert(ret == numPerRound);
  }

  DoGetFut.wait();

  struct timeval end;
  gettimeofday(&end, 0);

  uint64_t diff = ((end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000) + (end.tv_usec - start.tv_usec);

  io_queue_release(ioctx);

  std::cout
    << "ops=" << numRounds * numPerRound
    << " iops=" << (numRounds * numPerRound *(uint64_t)1000000)/diff
    << " region-size=" << (numBlocks * BLKSIZE)
    << std::endl;
}

Answer 1

Конечно, это связано со структурой памяти. Внутренне этот накопитель построен из множества микросхем памяти и может иметь несколько внутренних шин памяти. Если вы выполняете запросы в небольшом диапазоне, все запросы преобразуются в один или несколько чипов и должны быть поставлены в очередь. Если вы получаете доступ ко всему устройству, то множественный запрос выполняется по многим внутренним микросхемам и шинам и может выполняться асинхронно, что обеспечит большую пропускную способность.