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磁盤I/O 子系統是Linux 系統中最慢的部分.這個主要是歸于CPU到物理操作磁盤之間距離(譯注:盤片旋轉以及尋道).如果拿讀取磁盤和內存的時間作比較就是分鐘級到秒級，這就像7天和7分鐘的區別.因此本質上，Linux 內核就是要最低程度的降低I/O 數.本章將訴述內核在磁盤和內存之間處理數據的這個過程中，哪些地方會產生I/O.

6.1 讀和寫數據 - 內存頁

Linux 內核將硬盤I/O 進行分頁，多數Linux 系統的默認頁大小為4K.讀和寫磁盤塊進出到內存都為4K 頁大小.你可以使用time 這個命令加-v 參數，來檢查你系統中設置的頁大小:

# /usr/bin/time -v date

Page size (bytes): 4096

6.2 Major and Minor Page Faults(譯注:主要頁錯誤和次要頁錯誤)

Linux，類似多數的UNIX 系統，使用一個虛擬內存層來映射硬件地址空間.當一個進程被啟動，內核先掃描CPU caches和物理內存.如果進程需要的數據在這2個地方都沒找到，就需要從磁盤上讀取，此時內核過程就是major page fault(MPF).MPF 要求磁盤子系統檢索頁并緩存進RAM.

一旦內存頁被映射進內存的buffer cache(buff)中，內核將嘗試從內存中讀取或寫入，此時內核過程就是minor page fault(MnPF).與在磁盤上操作相比，MnPF 通過反復使用內存中的內存頁就大大的縮短了內核時間.

以下的例子，使用time 命令驗證了，當進程啟動后，MPF 和 MnPF 的變化情況.第一次運行進程，MPF 會更多:

# /usr/bin/time -v evolution

Major (requiring I/O) page faults: 163

Minor (reclaiming a frame) page faults: 5918

第二次再運行時，內核已經不需要進行MPF了，因為進程所需的數據已經在內存中:

# /usr/bin/time -v evolution

Major (requiring I/O) page faults: 0

Minor (reclaiming a frame) page faults: 5581

6.3 The File Buffer Cache(譯注:文件緩存區)

文件緩存區就是指，內核將MPF 過程最小化，MnPF 過程最大化.隨著系統不斷的產生I/O，buffer cache也將不斷的增加.直到內存不夠，以及系統需要釋放老的內存頁去給其他用戶進程使用時，系統就會丟棄這些內存頁.結果是，很多sa(譯注:系統管理員)對系統中過少的free memory(譯注:空閑內存)表示擔心，實際上這是系統更高效的在使用caches.

以下例子，是查看/proc/meminfo 文件:

# cat /proc/meminfo

MemTotal: 2075672 kB

MemFree: 52528 kB

Buffers: 24596 kB

Cached: 1766844 kB

可以看出，這個系統總計有2GB (Memtotal)的可用內存.當前的空閑內存為52MB (MemFree)，有24 MB內存被分配磁盤寫操作(Buffers)，還有1.7 GB頁用于讀磁盤(Cached).

內核這樣是通過MnPF機制，而不代表所有的頁都是來自磁盤.通過以上部分，我們不可能確認系統是否處于瓶頸中.

6.4 Type of Memory Pages

在Linux 內核中，memory pages有3種，分別是:

1，Read Pages - 這些頁通過MPF 從磁盤中讀入，而且是只讀.這些頁存在于Buffer Cache中以及包括不能夠修改的靜態文件，二進制文件，還有庫文件.當內核需要它們時，將讀取到內存中.如果內存不足，內核將釋放它們回空閑列表中.程序再次請求時，則通過MPF 再次讀回內存.

2，Dirty Pages - 這些頁是內核在內存中已經被修改過的數據頁.當這些頁需要同步回磁盤上，由pdflush 負責寫回磁盤.如果內存不足，kswapd (與pdflush 一起)將這些頁寫回到磁盤上并釋放更多的內存.

3，Anonymous Pages - 這些頁屬于某個進程，但是沒有任何磁盤文件和它們有關.他們不能和同步回磁盤.如果內存不足，kswapd 將他們寫入swap 分區上并釋放更多的內存("swapping" pages).

6.5 將數據頁寫回磁盤

應用程序有很多選擇可以寫臟頁回磁盤上，可通過I/O 調度器使用 fsync() 或 sync() 這樣的系統函數來實現立即寫回.如果應用程序沒有調用以上函數，pdflush 進程會定期與磁盤進行同步.

# ps -ef | grep pdflush

root 186 6 0 18:04 ? 00:00:00 [pdflush]

7.0 監控 I/O

當覺得系統中出現了I/O 瓶頸時，可以使用標準的監控軟件來查找原因.這些工具包括了top，vmstat，iostat，sar.它們的輸出結果一小部分是很相似，不過每個也都提供了各自對于性能不同方面的解釋.以下章節就將討論哪些情況會導致I/O 瓶頸的出現.

7.1 Calculating IO's Per Second(譯注:IOPS 的計算)

每個I/O 請求到磁盤都需要若干時間.主要是因為磁盤的盤邊必須旋轉，機頭必須尋道.磁盤的旋轉常常被稱為"rotational delay"(RD)，機頭的移動稱為"disk seek"(DS).一個I/O 請求所需的時間計算就是DS加上RD.磁盤的RD 基于設備自身RPM 單位值(譯注:RPM 是Revolutions Perminute的縮寫，是轉/每分鐘，代表了硬盤的轉速).一個RD 就是一個盤片旋轉的

半圓.如何計算一個10K RPM設備的RD 值呢:

1， 10000 RPM / 60 seconds (10000/60 = 166 RPS)

2， 轉換為 166分之1 的值(1/166 = 0.006 seconds/Rotation)

3， 單位轉換為毫秒(6 MS/Rotation)

4， 旋轉半圓的時間(6/2 = 3MS) 也就是 RD

5， 加上平均3 MS 的尋道時間 (3MS + 3MS = 6MS)

6， 加上2MS 的延遲(6MS + 2MS = 8MS)

7， 1000 MS / 8 MS (1000/8 = 125 IOPS)

每次應用程序產生一個I/O，在10K RPM磁盤上都要花費平均 8MS.在這個固定時間里，磁盤將盡可能且有效率在進行讀寫磁盤.IOPS 可以計算出大致的I/O 請求數，10K RPM 磁盤有能力提供120-150 次IOPS.評估IOPS 的效能，可用每秒讀寫I/O 字節數除以每秒讀寫IOPS 數得出.

7.2 Random vs Sequential I/O(譯注:隨機/順序 I/O)

per I/O產生的KB 字節數是與系統本身workload相關的，有2種不同workload的類型，它們是sequential和random.

7.2.1 Sequential I/O(譯注:順序IO)

iostat 命令提供信息包括IOPS 和每個I/O 數據處理的總額.可使用iostat -x 查看.順序的workload是同時讀順序請求大量的數據.這包括的應用，比如有商業數據庫(database)在執行大量的查詢和流媒體服務.在這個workload 中，KB per I/O 的比率應該是很高的.Sequential workload 是可以同時很快的移動大量數據.如果每個I/O 都節省了時間，那就意味了能帶來更多的數據處理.

# iostat -x 1

avg-cpu: %user %nice %sys %idle

0.00 0.00 57.1 4 42.86

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util

/dev/sda 0.00 12891.43 0.00 105.71 0.00 1 06080.00 0.00 53040.00 1003.46 1099.43 3442.43 26.49 280.00

/dev/sda1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

/dev/sda2 0.00 12857.14 0.00 5.71 0.00 105782.86 0.00 52891.43 18512.00 559.14 780.00 490.00 280.00

/dev/sda3 0.00 34.29 0.00 100.00 0.00 297.14 0.00 148.57 2.97 540.29 594.57 24.00 240.00

avg-cpu: %user %nice %sys %idle

0.00 0.00 23.53 76.47

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util

/dev/sda 0.00 17320.59 0.00 102.94 0.00 142305.88 0.00 71152.94 1382.40 6975.29 952.29 28.57 294.12

/dev/sda1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

/dev/sda2 0.00 16844.12 0.00 102.94 0.00 138352.94 0.00 69176.47 1344.00 6809.71 952.29 28.57 294.12

/dev/sda3 0.00 476.47 0.00 0.00 0.00 952.94 0.00 1976.47 0.00 165.59 0.00 0.00 276.47

評估IOPS 的效能，可用每秒讀寫I/O 字節數除以每秒讀寫IOPS 數得出，比如

rkB/s 除以 r/s

wkB/s 除以 w/s

53040/105 = 505KB per I/O

71152/102 = 697KB per I/O

在上面例子可看出，每次循環下，/dev/sda 的per I/O 都在增加.

7.2.2 Random I/O(譯注:隨機IO)

Random的worklaod環境下，不依賴于數據大小的多少，更多依賴的是磁盤的IOPS 數.Web和Mail 服務就是典型的Random workload.I/O 請求內容都很小.Random workload是同時每秒會有更多的請求數產生.所以，磁盤的IOPS 數是關鍵.

# iostat -x 1

avg-cpu: %user %nice %sys %idle

2.04 0.00 97.96 0.00

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util

/dev/sda 0.00 633.67 3.06 102.31 24.49 5281.63 12.24 2640.82 288.89 73.67 113.89 27.22 50.00

/dev/sda1 0.00 5.10 0.00 2.04 0.00 57.14 0.00 28.57 28.00 1.12 55.00 55.00 11.22

/dev/sda2 0.00 628.57 3.06 100.27 24.49 5224.49 12.24 2612.24 321.50 72.55 121.25 30.63 50.00

/dev/sda3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

avg-cpu: %user %nice %sys %idle

2.15 0.00 97.85 0.00

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util

/dev/sda 0.00 41.94 6.45 130.98 51.61 352.69 25.81 3176.34 19.79 2.90 286.32 7.37 15.05

/dev/sda1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

/dev/sda2 0.00 41.94 4.30 130.98 34.41 352.69 17.20 3176.34 21.18 2.90 320.00 8.24 15.05

/dev/sda3 0.00 0.00 2.15 0.00 17.20 0.00 8.60 0.00 8.00 0.00 0.00 0.00 0.00

計算方式和之前的公式一致:

2640/102 = 23KB per I/O

3176/130 = 24KB per I/O

(譯注:對于順序I/O來說，主要是考慮讀取大量數據的能力即KB per request.對于隨機I/O系統，更需要考慮的是IOPS值)

7.3 When Virtual Memory Kills I/O

如果系統沒有足夠的RAM 響應所有的請求，就會使用到SWAP device.就像使用文件系統I/O，使用SWAP device 代價也很大.如果系統已經沒有物理內存可用，那就都在SWAP disk上創建很多很多的內存分頁，如果同一文件系統的數據都在嘗試訪問SWAP device，那系統將遇到I/O 瓶頸.最終導致系統性能的全面崩潰.如果內存頁不能夠及時讀或寫磁盤，它們就一直保留在RAM中.如果保留時間太久，內核又必須釋放內存空間.問題來了，I/O 操作都被阻塞住了，什么都沒做就被結束了，不可避免地就出現kernel panic和system crash.

下面的vmstat 示范了一個內存不足情況下的系統:

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- ----cpu----

r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa

17 0 1250 3248 45820 1488472 30 132 992 0 2437 7657 23 50 0 23

11 0 1376 3256 45820 1488888 57 245 416 0 2391 7173 10 90 0 0

12 0 1582 1688 45828 1490228 63 131 1348 76 2432 7315 10 90 0 10

12 2 3981 1848 45468 1489824 185 56 2300 68 2478 9149 15 12 0 73

14 2 10385 2400 44484 1489732 0 87 1112 20 2515 11620 0 12 0 88

14 2 12671 2280 43644 1488816 76 51 1812 204 2546 11407 20 45 0 35

這個結果可看出，大量的讀請求回內存(bi)，導致了空閑內存在不斷的減少(free).這就使得系統寫入swap device的塊數目(so)和swap 空間(swpd)在不斷增加.同時看到CPU WIO time(wa)百分比很大.這表明I/O 請求已經導致CPU 開始效率低下.

要看swaping 對磁盤的影響，可使用iostat 檢查swap 分區

# iostat -x 1

avg-cpu: %user %nice %sys %idle

0.00 0.00 100.00 0.00

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util

/dev/sda 0.00 1766.67 4866.67 1700.00 38933.33 31200.00 19466.67 15600.00 10.68 6526.67 100.56 5.08 3333.33

/dev/sda1 0.00 933.33 0.00 0.00 0.00 7733.33 0.00 3866.67 0.00 20.00 2145.07 7.37 200.00

/dev/sda2 0.00 0.00 4833.33 0.00 38666.67 533.33 19333.33 266.67 8.11 373.33 8.07 6.90 87.00

/dev/sda3 0.00 833.33 33.33 1700.00 266.67 22933.33 133.33 11466.67 13.38 6133.33 358.46 11.35 1966.67

在這個例子中，swap device(/dev/sda1) 和 file system device(/dev/sda3)在互相作用于I/O. 其中任一個會有很高寫請求(w/s)，也會有很高wait time(await)，或者較低的服務時間比率(svctm).這表明2個分區之間互有聯系，互有影響.

7.4 結論

I/O 性能監控包含了以下幾點:

1，當CPU 有等待I/O 情況時，那說明磁盤處于超負荷狀態.

2，計算你的磁盤能夠承受多大的IOPS 數.

3，確定你的應用是屬于隨機或者順序讀取磁盤.

4，監控磁盤慢需要比較wait time(await) 和 service time(svctm).

5，監控swap 和系統分區，要確保virtual memory不是文件系統I/O 的瓶頸.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux系统监控之磁盘I/O篇的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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