Wie man gute parallele Leseleistung von der Festplatte unter Windows erzielt

Bei der Arbeit mit großen Dateien in einer multithreaded Umgebung kann es erhebliche Herausforderungen geben, eine optimale Leseleistung von der Festplatte zu erreichen. In Szenarien, in denen mehrere Threads gleichzeitig aus separaten Dateien lesen möchten, kann es aufgrund der Festplattenschedulingrichtlinien des Betriebssystems zu einer schlechten Durchsatzleistung kommen. Dieser Beitrag beleuchtet die häufigen Probleme und präsentiert Strategien zur Verbesserung der Leseleistung von Festplatten unter Windows.

Das Problem: Einschränkungen der parallelen Leseleistung

Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei große Dateien, jede etwa 2 GiB groß, und zwei separate Threads, die versuchen, sie gleichzeitig zu lesen. Anstatt eine verbesserte Leistung zu genießen, stellen Sie fest, dass beide Threads schlecht abschneiden und einen kombinierten Durchsatz von nur 2-3 MiB/s erreichen. Hier ist eine Zusammenfassung der Situation:

  • Setup: Zwei Threads, jeder liest eine Datei.
  • Beobachtung: Schlechter kombinierter Durchsatz, wenn beide Threads aktiv sind (~2-3 MiB/s) versus deutlich bessere Leistung (~45 MiB/s) für einen einzelnen Thread.
  • Verdächtige Ursache: Das Suchverhalten der Festplatte, das durch den Windows-Festplattenscheduler beeinflusst wird, führt zu ineffizienten Lese Mustern.

Verständnis des Festplattenscheduling unter Windows

Bevor wir in die Lösungen eintauchen, ist es entscheidend zu verstehen, wie Windows die I/O-Anforderungen von Festplatten verwaltet. Historisch verwendete Windows eine FIFO (First In, First Out)-Warteschlange für Festplattenanforderungen, bei der Anforderungen in 64-KB-Blöcke unterteilt wurden. Dies führte zu:

  • Häufige Festplattensuchen: Wenn zwei Threads gleichzeitig lasen, interferierten ihre Anforderungen, was ständiges Suchen vor und zurück auf der Festplatte verursachte.
  • Unflexibilität: Vor Windows Vista gab es sehr wenig, was Entwickler tun konnten, um die Handhabung von Festplattenanforderungen zu ändern.

Mit der Einführung von Windows Vista wurde jedoch ein ausgefeilterer Algorithmus zur Festplattenscheduling implementiert, der eine verbesserte Verwaltung paralleler I/O-Operationen ermöglichte. Dies wirft die Frage auf: Was können wir tun, um die Leseleistung in älteren Vista-Systemen oder sogar in späteren Versionen zu optimieren, wenn weiterhin Probleme auftreten?

Vorgeschlagene Lösungen zur Verbesserung der parallelen Leseleistung

  1. Selbstgemachte Festplattenzugriffsrichtlinie: Da Sie die Schedulingrichtlinie in früheren Windows-Versionen nicht ändern können, ziehen Sie in Betracht, Ihre eigene Methode zur Verwaltung des Festplattenzugriffs in Ihren Threads zu erstellen.

    • Beispielrichtlinienimplementierung:
      if (THREAD_A liest von der Festplatte) {
          warte, bis THREAD_A das Lesen stoppt oder warte X ms
      }
      lese für X ms (oder Y MB)
      stoppe das Lesen und überprüfe den Status von THREAD_A erneut
      

    Diese Richtlinie führt einen Warte-Mechanismus ein, bei dem Threads nur auf die Festplatte zugreifen, wenn der andere Thread nicht gerade liest, um Suchprobleme zu verringern.

  2. Verwenden von Synchronisationsprimitive: Verwenden Sie Semaphore oder Mutex, um den Zugriff auf die Festplatte zu steuern und sicherzustellen, dass immer nur ein Thread gleichzeitig liest. Dies kann den Durchsatz im Vergleich zu echten parallelen Reads geringfügig reduzieren, aber die Gesamteffizienz verbessern.

  3. Leistung mit Metriken überwachen: Verwenden Sie Leistungsüberwachungstools (wie perfmon), um den Status der Festplattenschlange zu bewerten und Ihre Leseintervalle und Datenmengen dynamisch anzupassen. Dieser ‘Auto-Tuning’-Ansatz ermöglicht es Ihnen, Ihre Strategie basierend auf Echtzeit-Leistungsmetriken anzupassen:

    • Messen Sie die aktuellen Übertragungsraten.
    • Passen Sie die X- und Y-Werte basierend auf historischen Leistungsdaten an.
  4. Upgrade auf neuere Windows-Versionen: Wenn möglich, ziehen Sie in Betracht, Ihr Betriebssystem zu aktualisieren. Windows Vista und spätere Versionen bieten intelligenteres Festplattenscheduling, das effizientere parallele Reads ermöglicht.

Fazit

Gute parallele Leseleistung von der Festplatte unter Windows zu erzielen, erfordert das Verständnis der Einschränkungen der I/O-Planung des Betriebssystems und die Implementierung cleverer Softwaretechniken, um diese zu umgehen. Durch die Einführung einer benutzerdefinierten Festplattenzugriffsrichtlinie, den Einsatz von Synchronisationstechniken und die Überwachung von Leistungsmetriken können Sie den Durchsatz Ihrer Anwendung beim Umgang mit großen Dateien und Multithreading erheblich verbessern.

Setzen Sie diese Strategien durchdacht um, und Sie werden auf dem besten Weg sein, Ihre Festplatteleseverfahren zu optimieren und die Leistungsfähigkeit der parallelen Programmierung in Ihren Anwendungen voll auszuschöpfen.