性能优化-磁盘I/O篇

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文件系统

文件系统工作原理

文件系统是在磁盘的基础上，提供了一个用来管理文件的树状结构。接下来看一下Linux文件系统的工作原理。

索引节点和目录项 在 Linux 中一切皆文件 ,文件系统,本身是对存储设备上的文件，进行组织管理的机制

为了方便管理，Linux 文件系统为每个文件都分配两个数据结构， 索引节点(index node) 和 目录项(directory entry) 。它们主要用来记录文件的 元信息 和 目录结构 。

  • 索引节点，简称为 inode，用来记录文件的元数据，比如 inode 编号、文件大小、访问权限、修改日期、数据 的位置等。索引节点和文件一一对应，它跟文件内容一样，都会被持久化存储到磁盘中。所以记住，索引节 点同样占用磁盘空间。
  • 目录项，简称为dentry，用来记录文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的关联关系。多个关联的目录项，就构成了文件系统的目录结构。不过，不同于索引节点，目录项是由内核维护的一个内存数据结构，所以通常也被叫做目录项缓存。

文件数据到底是怎么存储的呢? 磁盘读写的最小单位是扇区，然而扇区只有512B大小，如果每次都读写这么小的单位，效率一定很低。所以，文件系统又把连续的扇区组成了逻辑块，然后每次都以逻辑块为最小单元，来管理数据。常见的逻辑块大小为4KB，也就是由连续的8个扇区组成。

注意:

  1. 目录项本身就是一个内存缓存，而索引节点则是存储在磁盘中的数据 ,Buffer和Cache缓存可以协调慢速磁盘与快速CPU的性能差异，文件内容会缓存到页缓存 Cache中 ,这些索引节点自然也会缓存到内存中，加速文件的访问。
  2. 磁盘在执行文件系统格式化时，会被分成三个存储区域， 超级块、 索引节点区 和数据块区 。
    • 超级块，存储整个文件系统的状态。
    • 索引节点区，用来存储索引节点。
    • 数据块区，则用来存储文件数据。

虚拟文件系统 为了支持各种不同的文件系统，Linux 内核在用户进程和文件系统的中间，又引入了一个抽象层，也就是虚拟文件 系统 VFS(Virtual File System)。VFS 定义了一组所有文件系统都支持的数据结构和标准接口。这样，用户进程和内核中的其他子系统，只需要跟 VFS 提供的统一接口进行交互就可以了，而不需要再关心底层各种文件系统的实现细节。 为了更好地理解系统调用、VFS、缓存、文件系统以及块存储之间的关系 ,可以参考Linux 文件系统的架构图

image.png

通过这张图，你可以看到，在 VFS 的下方，Linux 支持各种各样的文件系统，如 Ext4、XFS、NFS 等等。按照存储位 置的不同，这些文件系统可以分为三类。

第一类是基于磁盘的文件系统，也就是把数据直接存储在计算机本地挂载的磁盘中。常见的 Ext4、XFS、OverlayFS 等，都是这类文件系统。

第二类是基于内存的文件系统，也就是我们常说的虚拟文件系统。这类文件系统，不需要任何磁盘分配存储空间， 但会占用内存。我们经常用到的 /proc就是一种最常见的虚拟文件系统。

第三类是网络文件系统，也就是用来访问其他计算机数据的文件系统，比如 NFS、SMB、iSCSI 等。

这些文件系统，要先挂载到 VFS 目录树中的某个子目录(称为挂载点)，然后才能访问其中的文件。拿第一类，也 就是基于磁盘的文件系统为例，在安装系统时，要先挂载一个根目录(/)，在根目录下再把其他文件系统(比如 其他的磁盘分区、/proc 文件系统、/sys 文件系统、NFS 等)挂载进来。

IO栈

Linux的IO路径可能是Linux系统中比较复杂的模块，它直接决定了系统的性能。

image.png

图片参考

根据这张 I/O 栈的全景图，我们可以更清楚地理解，存储系统 I/O 的工作原理。

应用程序 : 这没什么好说的，通过相关系统调用(如open/read/write)发起IO请求，属于IO请求的源头;

文件系统 : 应用程序的请求直接到达文件系统层。文件系统又分为VFS和具体文件系统(ext3、ext4等)，VFS对应用层提供统 一的访问接口，而ext3等文件系统则实现了这些接口。另外，提高IO性能，在该层还实现了诸如page cache等功 能。同时，用户也可以选择绕过page cache，而是直接使用direct模式进行IO(如数据库)。

块设备层 : 文件系统将IO请求打包提交给块设备层，该层会对这些IO请求作合并、排序、调度等，然后以新的格式发往更底层。在该层次上实现了多种电梯调度算法，如cfq、deadline等。

SCSI层 : 块设备层将请求发往SCSI层，SCSI就开始真实处理这些IO请求，但是SCSI层又对其内部按照功能划分了不同层次: * SCSI高层:高层驱动负责管理disk，接收块设备层发出的IO请求，打包成SCSI层可识别的命令格式，继续往下发; * SCSI中层:中层负责通用功能，如错误处理，超时重试等; * SCSI低层:底层负责识别物理设备，将其抽象提供给 高层，同时接收高层派发的scsi命令，交给物理设备处理。

性能指标

磁盘I/O性能指标

这里需要了解磁盘 I/O 性能监控的指标，以及每个指标的所揭示的磁盘某方面的性能。磁盘 I/O 性能监控的指标主 要包括:

  1. 每秒 I/O 数( IOPS ) 一次磁盘的连续读或者连续写称为一次磁盘 I/O, 磁盘的 IOPS 就是每秒磁盘连续读次数和连续写次数之和。

  2. 吞吐量( Throughput) 指硬盘传输数据流的速度，传输数据为读出数据和写入数据的和。

  3. 平均 I/O 数据尺寸 平均 I/O 数据尺寸为吞吐量除以 I/O 数目，该指标对揭示磁盘使用模式有重要意义。

  4. 磁盘活动时间百分比( Utilization) %util 磁盘处于活动时间的百分比，即磁盘利用率，磁盘在数据传输和处理命令处于活动状态。

  5. 服务时间( ServiceTime) svctm 指磁盘读或写操作执行的时间，包括寻道，数据传输等时间。

  6. I/O 等待队列长度( Queue Length) 指待处理的 I/O 请求的数目，如果 I/O 请求压力持续超出磁盘处理能力，该值将增加。

  7. 等待时间( Wait Time) 指磁盘读或写操作等待执行的时间，即在队列中排队的时间。

磁盘 I/O 观测

iostat 是最常用的磁盘 I/O 性能观测工具，它提供了每个磁盘的 使用率 、 IOPS 、 吞吐量 等各种常见的性能指标，

当然，这些指标实际上来自 /proc/diskstats。

  • 命令格式:
iostat [参数][时间][次数]

  • 常用参数 -c : 仅显示 cpu的状态
    -d : 显示磁盘使用情况，不可以和 -c一起使用
    -k : 默认显示的是读入读出的 block信息，以 KB 为单位显示 -m : 以 M 为单位显示
    -t : 显示终端和CPU的信息
    -x : 显示详细信息

  • 例.显示所有磁盘I/O的指标

image.png

  • 参数解释 参数 | 含义 | 说明 | | -------- | ------------------------ | ---------------------------------- | | r/s | 每秒发送给磁盘的读请求数 | 合并后的请求数 | | w/s | 每秒发送给磁盘的写请求数 | 合并后的请求数 | | rkB/s | 每秒从磁盘读取的数据量 | 单位为KB | | wkB/s | 每秒向磁盘写入的数据量 | 单位为KB | | rrqm/s | 每秒合并的读请求数 | %rrqm标识合并读请求的百分比 | | wrqm/s | 每秒合并的写请求数 | %wrqm标识合并写请求的百分比 | | r_await | 读请求处理完毕等待时间 | 包括队列中的等待时间和 设备实际处理时间,单位毫秒 | | w_await | 写请求处理完成等待时间 | 包括队列中的等待时间和 设备实际处理时间,单位毫秒 | | aqu-sz | 平均请求队列长度 | 旧版为avgqu-sz | | rareq-sz | 平均读请求大小 | 单位为KB | | wareq-sz | 平均写请求大小 | 单位为KB | | svctm | 处理I/O请求所需要的平均时间(不包含等待时间) | 单位为毫秒。 | | %util | 磁盘处理I/O的时间百分比 | 使用率,由于可能存在并行I/O 100% 并不一定代表磁盘I/O饱和

  • 需要注意的指标

    1.%util ，就是我们前面提到的磁盘 I/O 使用率;

    2.r/s+ w/s ，就是 IOPS;

    3.rkB/s+wkB/s ，就是吞吐量;

    4.r_await+w_await ，就是响应时间；

    5.iostat 并不能直接得到磁盘饱和度。可以把观测到的，平均请求队列长度或者读写请求完成的等待时间，跟基 准测试的结果进行对比，综合评估磁盘的饱和情况。

进程 I/O 观测

要观察进程的 I/O 情况，你还可以使用 pidstat 和 iotop 这两个工具。

pidstat 观测I/O pidstat 给它加上 -d 参数(使用-d选项，我们可以查看进程IO的统计信息 )， 你就可以看到进程的 I/O 情况，如下所示:

image.png 从 pidstat 的输出你能看到，它可以实时查看每个进程的 I/O 情况，包括下面这些内容。

  • 用户 ID(UID)和进程 ID(PID) 。
  • 每秒读取的数据大小(kB_rd/s) ，单位是 KB。
  • 每秒发出的写请求数据大小(kB_wr/s) ，单位是 KB。
  • 每秒取消的写请求数据大小(kB_ccwr/s) ，单位是 KB。
  • 块 I/O 延迟(iodelay)，包括等待同步块 I/O 和换入块 I/O 结束的时间，单位是时钟周期。

iotop 观测I/O iotop是一个类似于 top 的工具，你可以按照 I/O 大小对进程排序，然后找到 I/O 较大的那些进程。

如果没有该命令，请通过 yum install iotop 进行安装

image.png 这个输出，你可以看到，前两行分别表示，进程的磁盘读写大小总数和磁盘真实的读写大小总数。因为缓存、缓 冲区、I/O 合并等因素的影响，它们可能并不相等。

剩下的部分，则是从各个角度来分别表示进程的 I/O 情况，包括线程 ID、I/O 优先级、每秒读磁盘的大小、每秒写 磁盘的大小、换入和等待 I/O 的时钟百分比等。

磁盘I/O优化策略

应用程序优化策略

  • 可以用追加写代替随机写，减少寻址开销，加快 I/O 写的速度。
  • 可以借助缓存 I/O ，充分利用系统缓存，降低实际 I/O 的次数。
  • 可以在应用程序内部构建自己的缓存，或者用 Redis 这类外部缓存系统。
  • 需要频繁读写同一块磁盘空间时，可以用 mmap 代替 read/write，减少内存的拷贝次数。
  • 在需要同步写的场景中，尽量将写请求合并，而不是让每个请求都同步写入磁盘。
  • 在多个应用程序共享相同磁盘时，为了保证 I/O 不被某个应用完全占用，推荐你使用 cgroups 的 I/O 子系 统，来限制进程/进程组的 IOPS 以及吞吐量。

文件系统优化策略

  • 可以根据实际负载场景的不同，选择最适合的文件系统。比如 Ubuntu 默认使用 ext4 文件系统，而CentOS7 默认使用xfs文件系统;
  • 在选好文件系统后，还可以进一步优化文件系统的配置选项;
  • 可以优化文件系统的缓存。

磁盘优化策略 磁盘也是整个 I/O 栈的最底层。从磁盘角度出发，自然也有很多有效的性能优化方法

  • 最简单有效的优化方法，就是换用性能更好的磁盘，比如用 SSD 替代 HDD;

  • 可以使用RAID，把多块磁盘组合成一个逻辑磁盘，构成冗余独立磁盘阵列。这样做既可以提高数据的 可靠性，又可以提升数据的访问性能;

  • 针对磁盘和应用程序 I/O 模式的特征，我们可以选择最适合的 I/O 调度算法。比方说，SSD 和虚拟机中的磁 盘，通常用的是 noop 调度算法。而数据库应用，我更推荐使用 deadline 算法;

  • 我们可以对应用程序的数据，进行磁盘级别的隔离;

  • 在顺序读比较多的场景中，我们可以增大磁盘的预读数据;

  • 我们可以优化内核块设备 I/O 的选项。比如，可以调整磁盘队列的长度,以提升磁盘的吞吐量。

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