Documentation/cgroups/blkio-controller.txt

   1                                 Block IO Controller
   2                                 ===================
   3 Overview
   4 ========
   5 cgroup subsys "blkio" implements the block io controller. There seems to be
   6 a need of various kinds of IO control policies (like proportional BW, max BW)
   7 both at leaf nodes as well as at intermediate nodes in a storage hierarchy.
   8 Plan is to use the same cgroup based management interface for blkio controller
   9 and based on user options switch IO policies in the background.
  10
  11 Currently two IO control policies are implemented. First one is proportional
  12 weight time based division of disk policy. It is implemented in CFQ. Hence
  13 this policy takes effect only on leaf nodes when CFQ is being used. The second
  14 one is throttling policy which can be used to specify upper IO rate limits
  15 on devices. This policy is implemented in generic block layer and can be
  16 used on leaf nodes as well as higher level logical devices like device mapper.
  17
  18 HOWTO
  19 =====
  20 Proportional Weight division of bandwidth
  21 -----------------------------------------
  22 You can do a very simple testing of running two dd threads in two different
  23 cgroups. Here is what you can do.
  24
  25 - Enable Block IO controller
  26         CONFIG_BLK_CGROUP=y
  27
  28 - Enable group scheduling in CFQ
  29         CONFIG_CFQ_GROUP_IOSCHED=y
  30
  31 - Compile and boot into kernel and mount IO controller (blkio); see
  32   cgroups.txt, Why are cgroups needed?.
  33
  34         mount -t tmpfs cgroup_root /sys/fs/cgroup
  35         mkdir /sys/fs/cgroup/blkio
  36         mount -t cgroup -o blkio none /sys/fs/cgroup/blkio
  37
  38 - Create two cgroups
  39         mkdir -p /sys/fs/cgroup/blkio/test1/ /sys/fs/cgroup/blkio/test2
  40
  41 - Set weights of group test1 and test2
  42         echo 1000 > /sys/fs/cgroup/blkio/test1/blkio.weight
  43         echo 500 > /sys/fs/cgroup/blkio/test2/blkio.weight
  44
  45 - Create two same size files (say 512MB each) on same disk (file1, file2) and
  46   launch two dd threads in different cgroup to read those files.
  47
  48         sync
  49         echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
  50
  51         dd if=/mnt/sdb/zerofile1 of=/dev/null &
  52         echo $! > /sys/fs/cgroup/blkio/test1/tasks
  53         cat /sys/fs/cgroup/blkio/test1/tasks
  54
  55         dd if=/mnt/sdb/zerofile2 of=/dev/null &
  56         echo $! > /sys/fs/cgroup/blkio/test2/tasks
  57         cat /sys/fs/cgroup/blkio/test2/tasks
  58
  59 - At macro level, first dd should finish first. To get more precise data, keep
  60   on looking at (with the help of script), at blkio.disk_time and
  61   blkio.disk_sectors files of both test1 and test2 groups. This will tell how
  62   much disk time (in milli seconds), each group got and how many secotors each
  63   group dispatched to the disk. We provide fairness in terms of disk time, so
  64   ideally io.disk_time of cgroups should be in proportion to the weight.
  65
  66 Throttling/Upper Limit policy
  67 -----------------------------
  68 - Enable Block IO controller
  69         CONFIG_BLK_CGROUP=y
  70
  71 - Enable throttling in block layer
  72         CONFIG_BLK_DEV_THROTTLING=y
  73
  74 - Mount blkio controller (see cgroups.txt, Why are cgroups needed?)
  75         mount -t cgroup -o blkio none /sys/fs/cgroup/blkio
  76
  77 - Specify a bandwidth rate on particular device for root group. The format
  78   for policy is "<major>:<minor>  <byes_per_second>".
  79
  80         echo "8:16  1048576" > /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.throttle.read_bps_device
  81
  82   Above will put a limit of 1MB/second on reads happening for root group
  83   on device having major/minor number 8:16.
  84
  85 - Run dd to read a file and see if rate is throttled to 1MB/s or not.
  86
  87                 # dd if=/mnt/common/zerofile of=/dev/null bs=4K count=1024
  88                 # iflag=direct
  89         1024+0 records in
  90         1024+0 records out
  91         4194304 bytes (4.2 MB) copied, 4.0001 s, 1.0 MB/s
  92
  93  Limits for writes can be put using blkio.throttle.write_bps_device file.
  94
  95 Hierarchical Cgroups
  96 ====================
  97 - Currently none of the IO control policy supports hierarchical groups. But
  98   cgroup interface does allow creation of hierarchical cgroups and internally
  99   IO policies treat them as flat hierarchy.
 100
 101   So this patch will allow creation of cgroup hierarchcy but at the backend
 102   everything will be treated as flat. So if somebody created a hierarchy like
 103   as follows.
 104
 105                         root
 106                         /  \
 107                      test1 test2
 108                         |
 109                      test3
 110
 111   CFQ and throttling will practically treat all groups at same level.
 112
 113                                 pivot
 114                              /  /   \  \
 115                         root  test1 test2  test3
 116
 117   Down the line we can implement hierarchical accounting/control support
 118   and also introduce a new cgroup file "use_hierarchy" which will control
 119   whether cgroup hierarchy is viewed as flat or hierarchical by the policy..
 120   This is how memory controller also has implemented the things.
 121
 122 Various user visible config options
 123 ===================================
 124 CONFIG_BLK_CGROUP
 125         - Block IO controller.
 126
 127 CONFIG_DEBUG_BLK_CGROUP
 128         - Debug help. Right now some additional stats file show up in cgroup
 129           if this option is enabled.
 130
 131 CONFIG_CFQ_GROUP_IOSCHED
 132         - Enables group scheduling in CFQ. Currently only 1 level of group
 133           creation is allowed.
 134
 135 CONFIG_BLK_DEV_THROTTLING
 136         - Enable block device throttling support in block layer.
 137
 138 Details of cgroup files
 139 =======================
 140 Proportional weight policy files
 141 --------------------------------
 142 - blkio.weight
 143         - Specifies per cgroup weight. This is default weight of the group
 144           on all the devices until and unless overridden by per device rule.
 145           (See blkio.weight_device).
 146           Currently allowed range of weights is from 10 to 1000.
 147
 148 - blkio.weight_device
 149         - One can specify per cgroup per device rules using this interface.
 150           These rules override the default value of group weight as specified
 151           by blkio.weight.
 152
 153           Following is the format.
 154
 155           # echo dev_maj:dev_minor weight > blkio.weight_device
 156           Configure weight=300 on /dev/sdb (8:16) in this cgroup
 157           # echo 8:16 300 > blkio.weight_device
 158           # cat blkio.weight_device
 159           dev     weight
 160           8:16    300
 161
 162           Configure weight=500 on /dev/sda (8:0) in this cgroup
 163           # echo 8:0 500 > blkio.weight_device
 164           # cat blkio.weight_device
 165           dev     weight
 166           8:0     500
 167           8:16    300
 168
 169           Remove specific weight for /dev/sda in this cgroup
 170           # echo 8:0 0 > blkio.weight_device
 171           # cat blkio.weight_device
 172           dev     weight
 173           8:16    300
 174
 175 - blkio.time
 176         - disk time allocated to cgroup per device in milliseconds. First
 177           two fields specify the major and minor number of the device and
 178           third field specifies the disk time allocated to group in
 179           milliseconds.
 180
 181 - blkio.sectors
 182         - number of sectors transferred to/from disk by the group. First
 183           two fields specify the major and minor number of the device and
 184           third field specifies the number of sectors transferred by the
 185           group to/from the device.
 186
 187 - blkio.io_service_bytes
 188         - Number of bytes transferred to/from the disk by the group. These
 189           are further divided by the type of operation - read or write, sync
 190           or async. First two fields specify the major and minor number of the
 191           device, third field specifies the operation type and the fourth field
 192           specifies the number of bytes.
 193
 194 - blkio.io_serviced
 195         - Number of IOs completed to/from the disk by the group. These
 196           are further divided by the type of operation - read or write, sync
 197           or async. First two fields specify the major and minor number of the
 198           device, third field specifies the operation type and the fourth field
 199           specifies the number of IOs.
 200
 201 - blkio.io_service_time
 202         - Total amount of time between request dispatch and request completion
 203           for the IOs done by this cgroup. This is in nanoseconds to make it
 204           meaningful for flash devices too. For devices with queue depth of 1,
 205           this time represents the actual service time. When queue_depth > 1,
 206           that is no longer true as requests may be served out of order. This
 207           may cause the service time for a given IO to include the service time
 208           of multiple IOs when served out of order which may result in total
 209           io_service_time > actual time elapsed. This time is further divided by
 210           the type of operation - read or write, sync or async. First two fields
 211           specify the major and minor number of the device, third field
 212           specifies the operation type and the fourth field specifies the
 213           io_service_time in ns.
 214
 215 - blkio.io_wait_time
 216         - Total amount of time the IOs for this cgroup spent waiting in the
 217           scheduler queues for service. This can be greater than the total time
 218           elapsed since it is cumulative io_wait_time for all IOs. It is not a
 219           measure of total time the cgroup spent waiting but rather a measure of
 220           the wait_time for its individual IOs. For devices with queue_depth > 1
 221           this metric does not include the time spent waiting for service once
 222           the IO is dispatched to the device but till it actually gets serviced
 223           (there might be a time lag here due to re-ordering of requests by the
 224           device). This is in nanoseconds to make it meaningful for flash
 225           devices too. This time is further divided by the type of operation -
 226           read or write, sync or async. First two fields specify the major and
 227           minor number of the device, third field specifies the operation type
 228           and the fourth field specifies the io_wait_time in ns.
 229
 230 - blkio.io_merged
 231         - Total number of bios/requests merged into requests belonging to this
 232           cgroup. This is further divided by the type of operation - read or
 233           write, sync or async.
 234
 235 - blkio.io_queued
 236         - Total number of requests queued up at any given instant for this
 237           cgroup. This is further divided by the type of operation - read or
 238           write, sync or async.
 239
 240 - blkio.avg_queue_size
 241         - Debugging aid only enabled if CONFIG_DEBUG_BLK_CGROUP=y.
 242           The average queue size for this cgroup over the entire time of this
 243           cgroup's existence. Queue size samples are taken each time one of the
 244           queues of this cgroup gets a timeslice.
 245
 246 - blkio.group_wait_time
 247         - Debugging aid only enabled if CONFIG_DEBUG_BLK_CGROUP=y.
 248           This is the amount of time the cgroup had to wait since it became busy
 249           (i.e., went from 0 to 1 request queued) to get a timeslice for one of
 250           its queues. This is different from the io_wait_time which is the
 251           cumulative total of the amount of time spent by each IO in that cgroup
 252           waiting in the scheduler queue. This is in nanoseconds. If this is
 253           read when the cgroup is in a waiting (for timeslice) state, the stat
 254           will only report the group_wait_time accumulated till the last time it
 255           got a timeslice and will not include the current delta.
 256
 257 - blkio.empty_time
 258         - Debugging aid only enabled if CONFIG_DEBUG_BLK_CGROUP=y.
 259           This is the amount of time a cgroup spends without any pending
 260           requests when not being served, i.e., it does not include any time
 261           spent idling for one of the queues of the cgroup. This is in
 262           nanoseconds. If this is read when the cgroup is in an empty state,
 263           the stat will only report the empty_time accumulated till the last
 264           time it had a pending request and will not include the current delta.
 265
 266 - blkio.idle_time
 267         - Debugging aid only enabled if CONFIG_DEBUG_BLK_CGROUP=y.
 268           This is the amount of time spent by the IO scheduler idling for a
 269           given cgroup in anticipation of a better request than the existing ones
 270           from other queues/cgroups. This is in nanoseconds. If this is read
 271           when the cgroup is in an idling state, the stat will only report the
 272           idle_time accumulated till the last idle period and will not include
 273           the current delta.
 274
 275 - blkio.dequeue
 276         - Debugging aid only enabled if CONFIG_DEBUG_BLK_CGROUP=y. This
 277           gives the statistics about how many a times a group was dequeued
 278           from service tree of the device. First two fields specify the major
 279           and minor number of the device and third field specifies the number
 280           of times a group was dequeued from a particular device.
 281
 282 Throttling/Upper limit policy files
 283 -----------------------------------
 284 - blkio.throttle.read_bps_device
 285         - Specifies upper limit on READ rate from the device. IO rate is
 286           specified in bytes per second. Rules are per device. Following is
 287           the format.
 288
 289   echo "<major>:<minor>  <rate_bytes_per_second>" > /cgrp/blkio.throttle.read_bps_device
 290
 291 - blkio.throttle.write_bps_device
 292         - Specifies upper limit on WRITE rate to the device. IO rate is
 293           specified in bytes per second. Rules are per device. Following is
 294           the format.
 295
 296   echo "<major>:<minor>  <rate_bytes_per_second>" > /cgrp/blkio.throttle.write_bps_device
 297
 298 - blkio.throttle.read_iops_device
 299         - Specifies upper limit on READ rate from the device. IO rate is
 300           specified in IO per second. Rules are per device. Following is
 301           the format.
 302
 303   echo "<major>:<minor>  <rate_io_per_second>" > /cgrp/blkio.throttle.read_iops_device
 304
 305 - blkio.throttle.write_iops_device
 306         - Specifies upper limit on WRITE rate to the device. IO rate is
 307           specified in io per second. Rules are per device. Following is
 308           the format.
 309
 310   echo "<major>:<minor>  <rate_io_per_second>" > /cgrp/blkio.throttle.write_iops_device
 311
 312 Note: If both BW and IOPS rules are specified for a device, then IO is
 313       subjected to both the constraints.
 314
 315 - blkio.throttle.io_serviced
 316         - Number of IOs (bio) completed to/from the disk by the group (as
 317           seen by throttling policy). These are further divided by the type
 318           of operation - read or write, sync or async. First two fields specify
 319           the major and minor number of the device, third field specifies the
 320           operation type and the fourth field specifies the number of IOs.
 321
 322           blkio.io_serviced does accounting as seen by CFQ and counts are in
 323           number of requests (struct request). On the other hand,
 324           blkio.throttle.io_serviced counts number of IO in terms of number
 325           of bios as seen by throttling policy.  These bios can later be
 326           merged by elevator and total number of requests completed can be
 327           lesser.
 328
 329 - blkio.throttle.io_service_bytes
 330         - Number of bytes transferred to/from the disk by the group. These
 331           are further divided by the type of operation - read or write, sync
 332           or async. First two fields specify the major and minor number of the
 333           device, third field specifies the operation type and the fourth field
 334           specifies the number of bytes.
 335
 336           These numbers should roughly be same as blkio.io_service_bytes as
 337           updated by CFQ. The difference between two is that
 338           blkio.io_service_bytes will not be updated if CFQ is not operating
 339           on request queue.
 340
 341 Common files among various policies
 342 -----------------------------------
 343 - blkio.reset_stats
 344         - Writing an int to this file will result in resetting all the stats
 345           for that cgroup.
 346
 347 CFQ sysfs tunable
 348 =================
 349 /sys/block/<disk>/queue/iosched/slice_idle
 350 ------------------------------------------
 351 On a faster hardware CFQ can be slow, especially with sequential workload.
 352 This happens because CFQ idles on a single queue and single queue might not
 353 drive deeper request queue depths to keep the storage busy. In such scenarios
 354 one can try setting slice_idle=0 and that would switch CFQ to IOPS
 355 (IO operations per second) mode on NCQ supporting hardware.
 356
 357 That means CFQ will not idle between cfq queues of a cfq group and hence be
 358 able to driver higher queue depth and achieve better throughput. That also
 359 means that cfq provides fairness among groups in terms of IOPS and not in
 360 terms of disk time.
 361
 362 /sys/block/<disk>/queue/iosched/group_idle
 363 ------------------------------------------
 364 If one disables idling on individual cfq queues and cfq service trees by
 365 setting slice_idle=0, group_idle kicks in. That means CFQ will still idle
 366 on the group in an attempt to provide fairness among groups.
 367
 368 By default group_idle is same as slice_idle and does not do anything if
 369 slice_idle is enabled.
 370
 371 One can experience an overall throughput drop if you have created multiple
 372 groups and put applications in that group which are not driving enough
 373 IO to keep disk busy. In that case set group_idle=0, and CFQ will not idle
 374 on individual groups and throughput should improve.
 375
 376 What works
 377 ==========
 378 - Currently only sync IO queues are support. All the buffered writes are
 379   still system wide and not per group. Hence we will not see service
 380   differentiation between buffered writes between groups.