I/O Streams dan Kinerja I/O

7.3. I/O Streams dan Kinerja I/O

7.3.1. I/O Streams

I/O stream adalah suatu mekanisme pengiriman data secara bertahap dan terus menerus melalui suatu aliran data dari proses ke peranti (begitu pula sebaliknya).

I/O Stream terdiri dari:

1. stream head yang berhubungan langsung dengan proses.

2. driver ends yang mengatur peranti-peranti

3. stream modules yang berada di antara stream head dan driver end, yang bertugas menyampaikan data ke driver end melalui write queue, maupun menyampaikan data ke proses melalui read queue dengan cara message passing .

Untuk memasukkan ke dalam stream digunakan ioctl() system call, sedangkan untuk menuliskan data ke peranti digunakan write()/ putmsg() system calls, dan untuk membaca data dari peranti digunakan read()/ getmsg() system calls .

Gambar 7-5. Struktur Stream

7.3.2. Kinerja I/O

I/O adalah faktor penting dalam kinerja sistem. I/O sering meminta CPU untuk mengeksekusi device-driver code dan menjadual proses secara efisien sewaktu memblock dan unblock. Hasil context switch men-stress ke CPU dan hardware cache-nya. I/O juga memberitahukan ketidakefisienan mekanisme penanganan interupsi dalam kernel, dan I/O me-load down memory bus saat data copy antara pengendali dan memori fisik, dan juga saat copy antara kernel buffers dan application data space. Mengkopi dengan semua permintaan ini adalah salah satu kekhawatiran dalam arsitektur komputer.

Walaupun komputer modern dapat menangani beribu-ribu interupsi per detik, namun penanganan interupsi adalah pekerjaan yang sulit. Setiap interupsi mengakibatkan sistem melakukan perubahan status, mengeksekusi interrupt handler lalu mengembalikan statusnya kembali. I/O yang terprogram dapat lebih efisien dibanding interrupt-driven I/O , jika waktu cycle yang dibutuhkan untuk busy-waiting tidak berlebihan. I/O yang sudah selesai biasanya meng-unblock sebuah proses lalu membawanya ke full overhead of context switch.

Network traffic juga dapat menyebabkan high context-switch rate. Coba diperhatikan, misalnya sebuah remote login dari sebuah mesin ke mesin lainnya. Setiap karakter yang diketikkan pada local machine harus dikirim ke remote machine . Pada local machine karakter akan diketikkan, lalu keyboard interrupt dibuat, dan karakter melewati interrupt handler menuju device-driver lalu ke kernel, setelah itu ke proses. Proses memanggil network I/O system call untuk mengirim karakter ke remote machine. Karakter lalu melewati local kernel, menuju ke lapisan-lapisan network yang membuat paket network, lalu ke network device driver. Network device driver mengirim paket itu ke network controller, yang mengirim karakter dan membuat interupsi. Interupsi kemudian dikembalikan ke kernel supaya I/O system call dapat selesai.

Sekarang remote system’s network hardware sudah menerima paket, dan interupsi dibuat. Karakter di-unpack dari network protocol dan dikirim ke network daemon yang sesuai. Network daemon mengidentifikasi remote login session mana yang terlibat, dan mengirim paket ke subdaemon yang sesuai untuk session itu. Melalui alur Sekarang remote system’s network hardware sudah menerima paket, dan interupsi dibuat. Karakter di-unpack dari network protocol dan dikirim ke network daemon yang sesuai. Network daemon mengidentifikasi remote login session mana yang terlibat, dan mengirim paket ke subdaemon yang sesuai untuk session itu. Melalui alur

Gambar 7-6. Gambar Komunikasi Interkomputer

Gambar ini diadaptasi dari [Silberschatz2002, halaman 484]. Developer Solaris mengimplementasikan kembali telnet daemon menggunakan kernel-thread untuk

menghilangkan context switch yang terlibat dalam pemindahan karakter dari daemon ke kernel. Sun memperkirakan bahwa perkembangan ini akan menambah jumlah maksimum network logins dari beberapa ratus hingga beberapa ribu (pada server besar).

Sistem lain menggunakan front-end processor yang terpisah untuk terminal I/O, supaya mengurangi beban interupsi pada main CPU. Misalnya, sebuah terminal concentrator dapat mengirim sinyal secara bersamaan dari beratus-ratus terminal ke satu port di large computer. Sebuah I/O channel adalah sebuah CPU yang memiliki tujuan khusus yang ditemukan pada mainframe dan pada sistem high-end lainnya. Kegunaan dari I/O channel adalah untuk meng-offload I/O work dari main CPU. Prinsipnya adalah channel tersebut menjaga supaya lalu lintas data lancar, sehingga main CPU dapat bebas memproses data. Seperti device controller dan DMA controller yang ada pada smaller computer, sebuah channel dapat memproses program-program yang umum dan kompleks, jadi channel dapat digunakan untuk workload tertentu.

Kita dapat menggunakan beberapa prinsip untuk menambah efisiensi I/O:

1. Mengurangi context switch.

2. Mengurangi jumlah pengkopian data dalam memori sewaktu pengiriman antara peranti dan aplikasi.

3. Mengurangi jumlah interupsi dengan menggunakan transfer besar-besaran, smart controller, dan polling (jika busy-waiting dapat diminimalisir).

4. Menambah konkurensi dengan menggunakan pengendali atau channel DMA yang sudah diketahui untuk meng-offload kopi data sederhana dari CPU.

5. Memindahkan processing primitives ke perangkat keras, supaya operasi pada device controller konkuren dengan CPU dan operasi bus.

6. Keseimbangan antara CPU, memory subsystem, bus dan kinerja I/O, karena sebuah overload pada salah satu area akan menyebabkan keterlambatan pada yang lain.

Kompleksitas peranti berbeda-beda, misalnya mouse. Mouse adalah peranti yang sederhana. Pergerakan mouse dan button click diubah menjadi nilai numerik yang dikirim dari perangkat keras (melalui mouse device driver) menuju aplikasinya. Kebalikan dari mouse, fungsionalitas yang disediakan NT disk device driver sangatlah kompleks. NT disk device driver tidak hanya mengatur individual disk, tapi juga mengimplementasikan RAID Kompleksitas peranti berbeda-beda, misalnya mouse. Mouse adalah peranti yang sederhana. Pergerakan mouse dan button click diubah menjadi nilai numerik yang dikirim dari perangkat keras (melalui mouse device driver) menuju aplikasinya. Kebalikan dari mouse, fungsionalitas yang disediakan NT disk device driver sangatlah kompleks. NT disk device driver tidak hanya mengatur individual disk, tapi juga mengimplementasikan RAID

Kapan fungsionalitas I/O dapat diimplementasikan? Pada device hardware, device driver, atau pada aplikasi perangkat lunak?

Mula-mula kita implementasikan eksperimen algoritma I/O pada application level, karena application code lebih fleksibel, dan application bug tidak membuat sistem crash. Terlebih lagi dengan mengembangkan kode pada application level , kita dapat menghindari reboot ataupun reload device driver setiap mengganti kode. Bagaimanapun juga sebuah implementasi pada application level dapat tidak efisien, karena overhead of context switch , dan karena aplikasi tidak dapat menerima kemudahan dari internal kernel data structure dan fungsionalitas kernel (seperti internal kernel messaging, threading, dan locking yang efisien).

Ketika algoritma application level memperlihatkan kegunaannya, kita dapat mengimplementasikan kembali kernel, sehingga dapat menambah kinerja. Akan tetapi, usaha pengembangan sulit dilakukan karena sistem operasi kernel adalah sistem perangkat lunak yang besar dan kompleks.

Terlebih lagi, dalam pengimplementasian internal kernel harus di-debug secara hati-hati untuk menghindari data corrupt dan sistem crash.

Kinerja tertinggi dapat didapatkan dengan cara implementasi spesial dalam perangkat keras, baik dalam peranti ataupun pengendali. Kerugian dari implementasi perangkat keras termasuk kesulitan dan pengorbanan dari membuat kemajuan atau dari pembetulan bug, dan bertambahnya development time (dalam satuan bulan, bukan hari), dan berkurangnya fleksibilitas.

Misalnya, sebuah hardware RAID controller mungkin saja tidak memberikan izin kepada kernel untuk mempengaruhi urutan ataupun lokasi dari individual block reads and writes, walaupun kernel memiliki informasi tertentu tentang workload yang mampu membuat kernel meningkatkan kinerja I/O.