存储设备IO优化向导
1、概述
虽然存储设备的恨不能在近年来一直在稳步提升，从raw nand到emmc，再到UFS都在进步，但和CPU相比它们依然是一个低俗的外设，并且IO是不可抢占的，所以应用程序在交互中等待IO会带来非常糟糕的用户体验，大部分程序员都意识到了这一点，所以绝大多数的程序尽量都会想办法改善这个问题，例如预读(readahead)和异步IO等。但是有些场景是很难规避IO的影响的。比如启动应用和本地音视频播放。如果在这两个场景中，还有其它的程序来竞争IO，那对用户体验来说可能无法接受。
2、现有的优化
设想有这样一个场景：某天用户心血来潮要整理设备上的照片或其它文件，通过文件浏览器把大量的文件拷到一张新的TF卡上，这个过程是很漫长的，这个时候他打开一个本地视频观看，但是不幸的事情来了，视频卡顿非常严重。
遇到这种情况，工程师们肯定能理解，文件拷贝和视频播放在竞争IO，导致解码器没有及时得到新的视频数据，进而导致丢帧或音视频不同步。但是用户不一定能接受这个解释。他觉得为什么不能把文件拷贝的速度放慢一些，优先保证视频播放的用户体验。
这时候又轮到工程师来想办法了，在这个场景中，IO实际上可以分两类，视频播放和文件拷贝。把其中视频播放的IO认为是关键IO，问题就变成 了如何避免关键IO拥塞。
让我们先看看万能的谷歌是怎么处理这个问题的，在最新的android版本上会设置所有视频相关进程的IO优先级到RT级，这种优先的效果肯定是有的，但是还有几个问题：
- 效果有限 BT只能改善，而不能避免关键IO的拥塞，因为文件拷贝的进程会更频繁的发起IO请求，所以经常会碰到这种情况，视频播放的IO请求到来时，设备驱动正在执行文件拷贝操作的IO，由于IO不可抢占，此时只能等这个请求完成，视频播放的请求才能得到服务。
- 对第三方应用支持有限 如果第三运用是通过MediaCodec或者OMX来实现音视频播放的，此时流媒体数据的请求是应用 自己发起的，并不会被自动配置成RT级
- 没有考虑启动应用的场景 实测在文件拷贝的同时去启动应用，速度慢了近两倍
注：在线音视频缓存流媒体数据一般都是直接存在内在中的，一是可以保证性能，二是Flash设备的寿命有限，所以不需要考虑IO优化
3、如何改进
3.1、结合cgroup控制
kernel除了IO优先级以外，还有一个blk cgroup控制，目前支持两种控制策略：权重和节流。二者都是通过标准的cgroup方式提供配置接口的，这里就不详细描述了。把进程分组以后，可以给不同的分组配置不同的权重，例如给视频播放进程配置1000的权重，给文件拷贝分配10的权重，则内核会尽量按99：1的比例来分配存储设备的带宽，当然实际上的带宽比例不会是这样的，因为两个进程发起IO的频度是不一样的，内核只能保证短时间内的带宽按配置的权重来分配。而节流的话，则是可以给每个分组每个设备设置一个性能阈值，内核来保证性能不超过这个阈值，例如给文件拷贝分配2MB/s的读带宽，则内核会严格按这个指标分配带宽，即使此时设备带宽还没有用完。
3.2、提升第三方应用兼容性
大部分媒体应用都是直接调用MediaPlayer来实现播放，这样会通过MediaServer来读取流媒体数据，而这个进程android已经配置了RT优先级。但是还有一部分应用是直接调用MediaCodec来实现播放的，比如特殊的加密格式视频，又或者为了实现帧合成等特殊处理，在这种情况下是由视频应用本身来读取流媒体数据，为了改善这个问题，可以在dequeueInputBuffer函数中把当前线程IO优先级和权重都配置到最高。
3.3、识别启动应用的场景
所有的应用启动都要经过ActivityManagerService，所以AMS的startActivity中识别启动应用开始，在Activity.onStart中认为启动应用结束。
3.4、限制文件拷贝性能
为了进一步提升前台应用和媒体应用的用户体验，还需要降低文件拷贝的IO性能，即在识到到启动应用和音视频播放的场景后，会同时根据一个白名单（主要是各种文件浏览器），降低特定活动进程的IO优先级和权重，同时发出一个BROADCAST_IO_JANK的消息，各种系统服务如mtp服务、下载服务等可以在收到这个消息的时候降低IO优先级和权重。
3.5、提供框架层接口
框架层提供IO优先级和权重的配置接口，但是普通应用只支持降低优先级和权重，只有system权限的应用可以提高优先级和权重。
4、整体流程
- step 1：开机启动过程中，init会为每个系统服务设定IO优先级和权重，其中media相关的进程全部都是RT和最高权重，debugerd、logcatd等都是IDLE和最低权重
- step 2：AMS会在Activity的不同生命周期，设置不同的IO优先级和权重，其中TOP_APP > FORGROUND > BACKGROUD
- step 3：媒体播放过程中会设置一个属性media.codec.running=true，来表示当前正在进行音视频编解码，并且会发出BROADCAST_IO_JANK消息，通知系统服务调低mtp、下载器和其它白名单中应用程序的IO优先级和权重到最低，并在播放结束后延迟发出BROADCAST_IO_RESUME（如果在延迟时间内触发新的BROADCAST_IO_JANK，会先移除这个延迟消息）通知系统服务恢复到正常优先级和权重。
- step 4：在应用启动过程中，如果media.codec.running=false，则会发出BROADCAST_IO_JANK消息，通知系统服务调低mtp、下载器和其它白名单中应用程序的IO优先级和权重到最低，并在启动结束后延迟发出BROADCAST_IO_RESUME（如果在延迟时间内触发新的BROADCAST_IO_JANK，会先移除这个延迟消息），通知系统服务恢复到正常优先级和权重
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