QEMU磁盘I/O限速机制深度解析-优快云博客

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QEMU磁盘I/O限速机制深度解析

qemu Official QEMU mirror. Please see https://www.qemu.org/contribute/ for how to submit changes to QEMU. Pull Requests are ignored. Please only use release tarballs from the QEMU website. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/qe/qemu

概述

QEMU作为一款功能强大的虚拟化解决方案，提供了完善的磁盘I/O限速机制。这项功能对于云环境中的多租户隔离、性能测试场景模拟以及防止单一虚拟机占用过多I/O资源等场景尤为重要。本文将全面剖析QEMU的throttle模块实现原理和使用方法。

基本限速参数

QEMU支持两种维度的磁盘I/O限制：

吞吐量限制：以字节/秒(bps)为单位
操作频率限制：以IOPS(每秒I/O操作次数)为单位

每种限制又可细分为三种模式：

| 模式类型 | 说明 | |---------|------| | 全局限制 | 同时限制读写操作 | | 读限制 | 仅限制读操作 | | 写限制 | 仅限制写操作 |

配置方式支持两种途径：

命令行参数：通过-drive的throttling.*系列参数
QMP命令：使用block_set_io_throttle接口

参数对应关系如下表所示：

| 命令行参数 | QMP参数 | 说明 | |-----------|---------|------| | throttling.iops-total | iops | 全局IOPS限制 | | throttling.iops-read | iops_rd | 读IOPS限制 | | throttling.iops-write | iops_wr | 写IOPS限制 | | throttling.bps-total | bps | 全局吞吐量限制 | | throttling.bps-read | bps_rd | 读吞吐量限制 | | throttling.bps-write | bps_wr | 写吞吐量限制 |

注意：全局限制与读写限制是互斥的，不能同时设置。

突发流量控制

除了基础限速外，QEMU还支持突发流量配置，允许短时间内突破基础限制。这种设计非常符合实际业务场景中存在的峰值需求。

突发配置包含两个关键参数：

突发速率：允许达到的最大I/O速率
突发时长：允许维持突发速率的最长时间

对应的参数命名规则为在基础参数后添加-max和-max-length后缀。例如：

-drive file=vm.qcow2,
       throttling.iops-total=100,
       throttling.iops-total-max=2000,
       throttling.iops-total-max-length=60

这表示：

基础IOPS限制为100
允许突发至2000 IOPS
突发状态最长可持续60秒

I/O操作大小控制

为防止用户通过提交超大I/O请求来绕过IOPS限制，QEMU提供了throttling.iops-size参数。该参数定义了I/O操作的基准大小，超过此大小的请求会按比例计算为多个操作。

例如设置iops-size=4096时：

8KB请求会计为2个操作
6KB请求会计为1.5个操作
小于4KB的请求始终计为1个操作

磁盘组限速策略

QEMU支持将多个磁盘设备分组管理，共享相同的限速策略。这是通过throttling.group参数实现的：

-drive file=disk1.qcow2,throttling.iops-total=6000,throttling.group=foo
-drive file=disk2.qcow2,throttling.iops-total=6000,throttling.group=foo

上述配置表示disk1和disk2同属foo组，共享6000 IOPS的限制。组内I/O请求会采用轮询方式公平分配。

算法实现原理

QEMU采用漏桶算法实现限速控制，具体为"作为计量器的漏桶"变种。算法核心思想：

桶以恒定速率漏水（对应基础限制）
水流入桶的速率可以暂时提高（对应突发配置）
当桶满时，流入速率必须降至漏水速率
桶容量=突发速率×突发时长

这种算法能平滑处理突发流量，确保长期平均速率不超过设定值。

过滤器实现方式

从QEMU 2.11开始，限速功能通过throttle块过滤器实现，提供了更灵活的配置方式。基本使用流程：

创建限速组：

{
  "execute": "object-add",
  "arguments": {
    "qom-type": "throttle-group",
    "id": "group0",
    "limits": {
      "iops-total": 1000,
      "bps-write": 2097152
    }
  }
}

为磁盘设备应用过滤器：

{
  "execute": "blockdev-add",
  "arguments": {
    "driver": "throttle",
    "node-name": "throttle0",
    "throttle-group": "group0",
    "file": "disk0"
  }
}

过滤器支持嵌套使用，可以实现复杂的层次化限速策略，例如同时设置单个磁盘限制和组磁盘总限制。