Файловая система Linux полностью на tmpfs — скорость без компромиссов

High performance
Sandbox

Предыстория


Так сложилось, что уже пять лет мой раздел ntfs с операционной системой Windows располагается на рамдиске. Решено это не аппаратным, а чисто программным способом, доступным на любом ПК с достаточным количеством оперативной памяти: рамдиск создается средствами загрузчика grub4dos, а Windows распознаёт его при помощи драйвера firadisk.

Однако до недавнего времени мне не был известен способ, как реализовать подобное для Linux. Нет, безусловно, существует огромное количество линуксовых LiveCD, загружающихся в память при помощи опций ядра toram, copy2ram и т. д., однако это не совсем то. Во-первых, это сжатые файловые системы, обычно squashfs, поэтому любое чтение с них сопровождается накладными расходами на распаковку, что вредит производительности. Во-вторых, это достаточно сложная каскадная система монтирования (так как squashfs — рид-онли система, а для функционирования ОС нужна запись), а мне хотелось по возможности простого способа, которым можно «вот так взять и превратить» любой установленный на жесткий диск Linux в загружаемый целиком в RAM.

Ниже я опишу такой способ, который был с успехом опробован. Для опытов был взят самый заслуженный дистрибутив Linux — Debian.

Я использовал сетевую установку, с самого минимального набора:
http://ftp.nl.debian.org/debian/dists/unstable/main/installer-amd64/current/images/netboot/debian-installer/amd64/linux
http://ftp.nl.debian.org/debian/dists/unstable/main/installer-amd64/current/images/netboot/debian-installer/amd64/initrd.gz

Но поскольку установка Debian не является предметом этой статьи, подробно ее описывать не буду.

Такой выбор в общем продиктован тем, что оперативной памяти никогда не бывает много и держать в ней что-то огромное вроде KDE не предполагалось. После установки необходимых для работы программ на жестком диске оказалось занято полтора гигабайта. Установка производилась в один раздел, без раздела swap. Оперативной памяти на компьютере установлено 16 гигабайт.

Собственно, способ


1. В файле /usr/share/initramfs-tools/scripts/local закомментируем строку:
checkfs ${ROOT} root
и строку:
mount ${roflag} -t ${FSTYPE} ${ROOTFLAGS} ${ROOT} ${rootmnt}
и сразу после нее вставим такой текст:

mkdir /ramboottmp
mount ${roflag} -t ${FSTYPE} ${ROOTFLAGS} ${ROOT} /ramboottmp
mount -t tmpfs -o size=100% none ${rootmnt}
cd ${rootmnt}
tar -zxf /ramboottmp/ram.tar.gz
umount /ramboottmp

2. Выполним команду mkinitramfs -o /initrd-ram.img
и после того, как она отработает, вернем файл /usr/share/initramfs-tools/scripts/local в исходное состояние.

3. В файле /etc/fstab закомментируем строку, описывающую монтирование корневого раздела / и вставим такую строку:
none / tmpfs defaults 0 0

4. Загрузим какой-нибудь другой линукс с LiveCD, чтобы полностью отвязаться от испытуемой операционной системы,
и заархивируем весь раздел с ее файловой системой:
cd /mnt/first && busybox tar -czf /mnt/work/ram.tar.gz *
после окончания вернем файл /etc/fstab в исходное состояние.

5. В итоге у нас получился линукс, состоящий всего из трех файлов:
кернела, initrd-ram.img и ram.tar.gz. Местонахождение ram.tar.gz указываем в параметре root= ядра в меню загрузчика grub:
title Linux in RAM
kernel /vmlinuz root=/dev/sdb1
initrd /initrd-ram.img

Это вся инструкция. Необходимые комментарии:
— checkfs закомментируем потому, что нет такого fsck для проверки tmpfs, не написали его;
— busybox tar используем для создания архива вместо простого tar из-за того, что в initrd нет простого tar, распаковывать наш архив будет именно busybox, и существует такой баг, что не сможет распаковать;
— звездочка в командной строке не страшна, так как в корне, обычно, нет скрытых файлов и папок, а в директориях они архивируются.
— /mnt/first — это примонтированный раздел с испытуемой ОС, а /mnt/work/ — это раздел для помещения архива.

Как это работает?


Мы изготовили специальный initrd, который при загрузке создает корневую файловую систему типа tmpfs (в этом вся соль, так как располагается она в оперативной памяти), затем смотрит на указанный в опции root= раздел, берет там файл архива, имя которого захардкожено (ram.tar.gz), и распаковывает из него все дерево ФС на эту tmpfs.

Так ФС оказывается в памяти.

Причем tmpfs обладает выгодными отличиями от рамдисков (в том числе от используемого мной для Windows) — она не блочное устройство, а файловая система, она занимает места в памяти ровно столько, сколько занимают файлы, и динамически увеличиватся, если что-то устанавливать, записывать новые файлы, и уменьшается, если деинсталлировать софт, удалять файлы. Остальная память доступна для работы ОС, программ. А еще Linux понимает, что это УЖЕ память и ее не надо кэшировать. Замечательная вещь!

Преимущества


Да, конечно, кэширование в современных ОС частично решает проблему низкой производительности дисковых устройств, но все равно необходимо время для первого прочтения файла с диска, а также он может быть выгружен из кэша в любое время и тогда понадобится время для его повторного чтения. Размещение же всей ОС в памяти является бескомпромиссным решением, гарантирующим максимально возможную скорость чтения и записи ее файлов. Простейший тест с помощью dd демонстрирует 3 гигабайта в секунду на последовательное чтение и 2 гигабайта в секунду на последовательную запись:

dd if=/dev/zero of=/test bs=1M count=500
524288000 bytes (524 MB) copied, 0.268589 s, 2.0 GB/s

dd if=/test of=/dev/null bs=1M count=500
524288000 bytes (524 MB) copied, 0.167294 s, 3.1 GB/s

Это примерно в 30 раз быстрее, чем HDD, и в 8 раз быстрее, чем SSD.

Продвинутый тест с помощью fio демонстрирует iops 349059 при случайном чтении и complete latency 0.29 микросекунд (латентность на два-три (десятичных) ПОРЯДКА меньше, чем у SSD):

randread 4K fio

В работе


Вывод команды free в типовой рабочей ситуации:

total used free shared buffers cached
Mem: 16469572 3236968 13232604 2075372 65552 2687436

Сразу после загрузки используется около 2 гигабайт памяти, из которых 1.5 занимает файловая система. При наличии 16 гигабайт ОЗУ имеется большой простор для установки даже больших приложений, как LibreOffice или Blender. Размер файла ram.tar.gz примерно полгига, что позволяет хранить его, кернел и initrd на любой небольшой флешке или на CD. Жесткого диска может вообще не быть. Такая система неубиваема. Но главное — это, конечно, скорость работы.

В заключении тридцатисекундный скринкаст о фактической скорости запуска приложений в такой системе. Нет, это не открытие приложений из трея, это запуск программ с носителя, которым в данном случае является tmpfs:

Tags:Linuxскорость работыtmpfsрамдискlatencyiopsfio
Hubs: High performance
+65
107.6k 656
Comments 165

Popular right now