linux性能评估-磁盘io概念理解篇

1.Linux 文件系统的工作原理

1.索引节点和目录项

在 Linux 中一切皆文件。不仅普通的文件和目录，就连块设备、套接字、管道等，也都要通过统一的文件系统来管理。
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。

2.虚拟文件系统

虚拟文件系统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。
下面这张图是Linux 文件系统的架构图，帮你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。

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 文件系统，其实就是一种最常见的虚拟文件系统。此外，/sys 文件系统也属于这一类，主要向用户空间导出层次化的内核对象。
• 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。

3.文件系统 I/O

文件读写方式的各种差异，导致 I/O 的分类多种多样。最常见的有，缓冲与非缓冲 I/O、直接与非直接 I/O、阻塞与非阻塞 I/O、同步与异步 I/O 等。 接下来，我们就详细看这四种分类。
第一种，根据是否利用标准库缓存，可以把文件 I/O 分为缓冲 I/O 与非缓冲 I/O。

• 缓冲 I/O，是指利用标准库缓存来加速文件的访问，而标准库内部再通过系统调度访问文件。
• 非缓冲 I/O，是指直接通过系统调用来访问文件，不再经过标准库缓存。

无论缓冲 I/O 还是非缓冲 I/O，它们最终还是要经过系统调用来访问文件。而根据上一节内容，我们知道，系统调用后，还会通过页缓存，来减少磁盘的 I/O 操作。
第二，根据是否利用操作系统的页缓存，可以把文件 I/O 分为直接 I/O 与非直接 I/O。

• 直接 I/O，是指跳过操作系统的页缓存，直接跟文件系统交互来访问文件。
• 非直接 I/O 正好相反，文件读写时，先要经过系统的页缓存，然后再由内核或额外的系统调用，真正写入磁盘。

想要实现直接 I/O，需要你在系统调用中，指定 O_DIRECT 标志。如果没有设置过，默认的是非直接 I/O。
不过要注意，直接 I/O、非直接 I/O，本质上还是和文件系统交互。如果是在数据库等场景中，你还会看到，跳过文件系统读写磁盘的情况，也就是我们通常所说的裸 I/O。
第三，根据应用程序是否阻塞自身运行，可以把文件 I/O 分为阻塞 I/O 和非阻塞 I/O：

• 所谓阻塞 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，如果没有获得响应，就会阻塞当前线程，自然就不能执行其他任务。
• 所谓非阻塞 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，不会阻塞当前的线程，可以继续执行其他的任务，随后再通过轮询或者事件通知的形式，获取调用的结果。

比方说，访问管道或者网络套接字时，设置 O_NONBLOCK 标志，就表示用非阻塞方式访问；而如果不做任何设置，默认的就是阻塞访问。
第四，根据是否等待响应结果，可以把文件 I/O 分为同步和异步 I/O：

• 所谓同步 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，要一直等到整个 I/O 完成后，才能获得 I/O 响应。
• 所谓异步 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，不用等待完成和完成后的响应，而是继续执行就可以。等到这次 I/O 完成后，响应会用事件通知的方式，告诉应用程序。

4.性能观测

容量
对文件系统来说，最常见的一个问题就是空间不足。当然，你可能本身就知道，用 df 命令，就能查看文件系统的磁盘空间使用情况。比如：

不过有时候，明明你碰到了空间不足的问题，可是用 df 查看磁盘空间后，却发现剩余空间还有很多。这是怎么回事呢？

索引节点的容量，（也就是 Inode 个数）是在格式化磁盘时设定好的，一般由格式化工具自动生成。当你发现索引节点空间不足，但磁盘空间充足时，很可能就是过多小文件导致的。所以，一般来说，删除这些小文件，或者把它们移动到索引节点充足的其他磁盘中，就可以解决这个问题。
缓存
在前面 Cache 案例中，我已经介绍过，可以用 free 或 vmstat，来观察页缓存的大小。free 输出的 Cache，是页缓存和可回收 Slab 缓存的和，你可以从 /proc/meminfo ，直接得到它们的大小：

文件系统中的目录项和索引节点缓存，又该如何观察呢？
比如，运行下面的命令，你就可以得到，所有目录项和各种文件系统索引节点的缓存情况：

这个界面中，dentry 行表示目录项缓存，inode_cache 行，表示 VFS 索引节点缓存，其余的则是各种文件系统的索引节点缓存。
在实际性能分析中，我们更常使用 slabtop ，来找到占用内存最多的缓存类型。

2.Linux 磁盘 IO 的工作原理

1.磁盘

磁盘是可以持久化存储的设备，根据存储介质的不同，常见磁盘可以分为两类：机械磁盘和固态磁盘。

• 第一类，机械磁盘，也称为硬盘驱动器（Hard Disk Driver），通常缩写为 HDD。机械磁盘主要由盘片和读写磁头组成，数据就存储在盘片的环状磁道中。在读写数据前，需要移动读写磁头，定位到数据所在的磁道，然后才能访问数据。
• 第二类，固态磁盘（Solid State Disk），通常缩写为 SSD，由固态电子元器件组成。固态磁盘不需要磁道寻址，所以，不管是连续 I/O，还是随机 I/O 的性能，都比机械磁盘要好得多。

其实，无论机械磁盘，还是固态磁盘，相同磁盘的随机 I/O 都要比连续 I/O 慢很多，原因也很明显。

• 对机械磁盘来说，由于随机 I/O 需要更多的磁头寻道和盘片旋转，它的性能自然要比连续 I/O 慢。
• 而对固态磁盘来说，虽然它的随机性能比机械硬盘好很多，但同样存在“先擦除再写入”的限制。随机读写会导致大量的垃圾回收，所以相对应的，随机 I/O 的性能比起连续 I/O 来，也还是差了很多。
• 此外，连续 I/O 还可以通过预读的方式，来减少 I/O 请求的次数，这也是其性能优异的一个原因。很多性能优化的方案，也都会从这个角度出发，来优化 I/O 性能。

2.通用块层

通用块层，其实是处在文件系统和磁盘驱动中间的一个块设备抽象层。它主要有两个功能 。

• 第一个功能跟虚拟文件系统的功能类似。向上，为文件系统和应用程序，提供访问块设备的标准接口；向下，把各种异构的磁盘设备抽象为统一的块设备，并提供统一框架来管理这些设备的驱动程序。
• 第二个功能，通用块层还会给文件系统和应用程序发来的 I/O 请求排队，并通过重新排序、请求合并等方式，提高磁盘读写的效率。

3.I/O 栈

我们可以把 Linux 存储系统的 I/O 栈，由上到下分为三个层次，分别是文件系统层、通用块层和设备层。
存储系统 I/O 的工作原理：

• 文件系统层，包括虚拟文件系统和其他各种文件系统的具体实现。它为上层的应用程序，提供标准的文件访问接口；对下会通过通用块层，来存储和管理磁盘数据。
• 通用块层，包括块设备 I/O 队列和 I/O 调度器。它会对文件系统的 I/O 请求进行排队，再通过重新排序和请求合并，然后才要发送给下一级的设备层。
• 设备层，包括存储设备和相应的驱动程序，负责最终物理设备的 I/O 操作。
  

4.磁盘性能指标

说到磁盘性能的衡量标准，必须要提到五个常见指标，也就是我们经常用到的，使用率、饱和度、IOPS、吞吐量以及响应时间等。这五个指标，是衡量磁盘性能的基本指标。

• 使用率，是指磁盘处理 I/O 的时间百分比。过高的使用率（比如超过 80%），通常意味着磁盘 I/O 存在性能瓶颈。
• 饱和度，是指磁盘处理 I/O 的繁忙程度。过高的饱和度，意味着磁盘存在严重的性能瓶颈。当饱和度为 100% 时，磁盘无法接受新的 I/O 请求。
• IOPS（Input/Output Per Second），是指每秒的 I/O 请求数。
• 吞吐量，是指每秒的 I/O 请求大小。
• 响应时间，是指 I/O 请求从发出到收到响应的间隔时间。

这里要注意的是，使用率只考虑有没有 I/O，而不考虑 I/O 的大小。换句话说，当使用率是 100% 的时候，磁盘依然有可能接受新的 I/O 请求。
4.1磁盘 I/O 观测
第一个要观测的，是每块磁盘的使用情况。
iostat 的输出界面如下。

iostat指标解读：

这些指标中，你要注意：

• %util ，就是我们前面提到的磁盘 I/O 使用率；
• r/s+ w/s ，就是 IOPS；
• rkB/s+wkB/s ，就是吞吐量；
• r_await+w_await ，就是响应时间。

在观测指标时，也别忘了结合请求的大小（ rareq-sz 和 wareq-sz）一起分析。

4.2.进程 I/O 观测
上面提到的 iostat 只提供磁盘整体的 I/O 性能数据，缺点在于，并不能知道具体是哪些进程在进行磁盘读写。要观察进程的 I/O 情况，你还可以使用 pidstat 和 iotop 这两个工具。

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。

除了可以用 pidstat 实时查看，根据 I/O 大小对进程排序，也是性能分析中一个常用的方法。这一点，我推荐另一个工具， iotop。它是一个类似于 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。

iotop 的输出如下所示：

从这个输出，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。