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利用blktrace分析磁盘I/O

發布時間：2023/11/27 生活经验 41 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了利用blktrace分析磁盘I/O 小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

原文：https://blog.csdn.net/ygtlovezf/article/details/80528300

blktrace對于分析block I/O是個非常好的工具，本篇文章記錄了如何使用blktrace。

blktrace原理

blktrace是對通用塊層（block layer）的I/O跟蹤機制，它能抓取詳細的I/O請求（request），發送到用戶空間。

blktrace主要由3部分組成：

內核部分

記錄內核到用戶空間的I/O追蹤信息的程序
分析、展示I/O追蹤信息的程序
主要在block layer實現，抓取的數據通過debugfs來傳遞。每個被跟蹤的設備都有一個在debugfs掛載目錄的文件。debugfs掛載目錄默認是：/sys/kernel/debug

用官方的一張圖來直觀的展現：

一個I/O請求進入block layer之后，可能會經歷下面的過程：

Remap: 可能被DM(Device Mapper)或MD(Multiple Device, Software RAID) remap到其它設備
Split: 可能會因為I/O請求與扇區邊界未對齊、或者size太大而被分拆(split)成多個物理I/O
Merge: 可能會因為與其它I/O請求的物理位置相鄰而合并(merge)成一個I/O
被I/O Scheduler依照調度策略發送給driver
被driver提交給硬件，經過HBA、電纜（光纖、網線等）、交換機（SAN或網絡）、最后到達存儲設備，設備完成I/O請求之后再把結果發回。

blktrace使用

安裝blktrace包
```
yum
install
blktrace
```

追蹤指定設備的I/O

[root@k8s-slave9 longterm_io]
# blktrace -d /dev/sde
^C=== sde ===CPU  0:                   38 events,        2 KiB dataCPU  1:                    1 events,        1 KiB dataCPU  2:                  232 events,       11 KiB dataCPU  3:                    2 events,        1 KiB dataCPU  4:                   41 events,        2 KiB data...Total:                   567 events (dropped 0),       27 KiB data

-d 指定具體的設備名

上面是抓取一段時間后，Ctrl+C中止的。也可以指定時間：-w
blktrace執行完之后，會生產很多文件，每個CPU都會有一個文件，文件名組成：<設備名>.blktrace.，如下：

[root@k8s-slave9 longterm_io]ls
sde.blktrace.0   sde.blktrace.12  sde.blktrace.16  sde.blktrace.2   sde.blktrace.23  sde.blktrace.27  sde.blktrace.30  sde.blktrace.34  sde.blktrace.38  sde.blktrace.6
...

抓取IO信息，完成了第一步，我們要分析這些I/O，就需要下面的工具。

blkparse分析數據

解析IO追蹤信息

blkparse是一個會把不同CPU的I/O trace文件合并，并解析、格式化輸出為對用戶可讀友好IO信息的工具。

先把上面生成的所有CPU I/O trace文件合并成一個文件：

[root@k8s-slave9 longterm_io]
# blkparse -i sde -d sde.blktrace.bin
Input
file
sde.blktrace.0 added
Input
file
sde.blktrace.1 added
Input
file
sde.blktrace.2 added
Input
file
sde.blktrace.3 added
Input
file
sde.blktrace.4 added
...
-----------------------------第一個IO開始8,64  35        1     0.000000000 28378  A   W 470236984 + 40 <- (8,65) 470234936  
8,64  35        2     0.000000670 28378  Q   W 470236984 + 40 [kworker
/u82
:1]  
8,64  35        3     0.000005125 28378  G   W 470236984 + 40 [kworker
/u82
:1]  
8,64  35        4     0.000005443 28378  P   N [kworker
/u82
:1]  
8,64  35        5     0.000009123 28378  I   W 470236984 + 40 [kworker
/u82
:1]  
8,64  35        6     0.000009978 28378  U   N [kworker
/u82
:1] 1  
8,64  35        7     0.000010638 28378  D   W 470236984 + 40 [kworker
/u82
:1]  
8,64  31        1     0.207382887     0  C   W 470236984 + 40 [0]
-----------------------------第一個IO完成
-----------------------------第二個IO開始8,64   2        1    10.239998442  4861  A FWFSM 469242512 + 2 <- (8,65) 469240464 
8,64   2        2    10.239999862  4861  Q FWFSM 469242512 + 2 [kworker
/2
:0H]  
8,64   2        3    10.240004505  4861  G FWFSM 469242512 + 2 [kworker
/2
:0H]  
8,64   2        4    10.240005325  4861  P   N [kworker
/2
:0H]  
8,64   2        5    10.240007109  4861  I FWFSM 469242512 + 2 [kworker
/2
:0H]  
8,64   2        6    10.240008795  4861  U   N [kworker
/2
:0H] 1  
8,64   4        1    10.482792539     0  D WFSM 469242512 + 2 [swapper
/0
]  
8,64   8        1    10.492646670     0  C WFSM 469242512 + 2 [0]
-----------------------------第二個IO完成
...
CPU0 (sde): 
Reads Queued:           1,        8KiB     Writes Queued:           3,      172KiB 
Read Dispatches:        1,        8KiB     Write Dispatches:        3,      172KiB 
Reads Requeued:         0         Writes Requeued:         0 
Reads Completed:        1,        8KiB     Writes Completed:        3,      172KiB
Read Merges:            0,        0KiB     Write Merges:            0,        0KiB
Read depth:             1             Write depth:             4
IO unplugs:             4             Timer unplugs:           0
...
Total (sde): 
Reads Queued:          23,      184KiB     Writes Queued:          41,      652KiB
Read Dispatches:       23,      184KiB     Write Dispatches:       36,      653KiB 
Reads Requeued:         0         Writes Requeued:         0 
Reads Completed:       23,      184KiB     Writes Completed:       53,      653KiB
Read Merges:            0,        0KiB     Write Merges:            5,       91KiB 
IO unplugs:            57             Timer unplugs:           0
Throughput (R
/W
): 0KiB
/s
/ 1KiB
/s
Events (sde): 500 entries
Skips: 0 forward (0 -   0.0%)

中間那段I/O處理階段說明：

第一列：設備號主設備號，次設備號

第二列：CPU

第三列：順序號

第五列：時間戳

第六列：PID 進程號

第七列：具體事件

第八列：具體的讀寫操作

   W：WriteR：ReadS：SyncFWF：第一個F是Flush，W還是Write，第二個F是FUA（force unit acess）M：MetadataD：DiscardB：Barrier從抓取的I/O來看，所有I2D耗時比較長的都是FWFSM的操作。

第九列：磁盤起始塊+操作的塊的數量

第十列：進程名或具體的命令

通過這些輸出，我們就可以明確看到，每個階段的具體耗時，就可以定位I/O慢在哪個階段，也是需要深入的分析什么原因導致的。

具體動作（或事件）的字母代表意義：
- A remap 對于棧式設備，進來的I/O將被重新映射到I/O棧中的具體設備
- X split 對于做了Raid或進行了device mapper(dm)的設備，進來的IO可能需要切割，然后發送給不同的設備
- Q queued I/O進入block layer，將要被request代碼處理（即將生成IO請求）
- G get request I/O請求（request）生成，為I/O分配一個request 結構體。
- M back merge 之前已經存在的I/O request的終止block號，和該I/O的起始block號一致，就會合并。也就是向后合并
- F front merge 之前已經存在的I/O request的起始block號，和該I/O的終止block號一致，就會合并。也就是向前合并
- I inserted I/O請求被插入到I/O scheduler隊列
- S sleep 沒有可用的request結構體，也就是I/O滿了，只能等待有request結構體完成釋放
- P plug 當一個I/O入隊一個空隊列時，Linux會鎖住這個隊列，不處理該I/O，這樣做是為了等待一會，看有沒有新的I/O進來，可以合并
- U unplug 當隊列中已經有I/O request時，會放開這個隊列，準備向磁盤驅動發送該I/O。
  這個動作的觸發條件是：超時（plug的時候，會設置超時時間）；或者是有一些I/O在隊列中（多于1個I/O）
- D issued I/O將會被傳送給磁盤驅動程序處理
- C complete I/O處理被磁盤處理完成。

btt分析數據

   blkparse只是將blktrace數據轉成可以人工閱讀的格式，由于數據量通常很大，人工分析并不輕松。btt是對blktrace數據進行自動分析的工具。

使用btt解析數據，查看I/O的整體情況

[root@k8s-slave9 longterm_io]
# btt -i sde.blktrace.bin
==================== All Devices ====================ALL           MIN           AVG           MAX           N
--------------- ------------- ------------- ------------- -----------Q2Q               0.000002013   7.354920889  30.208019079          63
Q2G               0.000000889   0.000003898   0.000016826          59
G2I               0.000000591   0.000003383   0.000035937          59
Q2M               0.000000333   0.000001295   0.000002440           5
I2D               0.000000503   0.065649284   0.252996244          59
M2D               0.000003840   0.000011816   0.000017717           5
D2C               0.000128883   0.056202494   0.254664063          64
Q2C               0.000131324   0.116730664   0.262633229          64==================== Device Overhead ====================DEV |       Q2G       G2I       Q2M       I2D       D2C
---------- | --------- --------- --------- --------- ---------(  8, 64) |   0.0031%   0.0027%   0.0001%  51.8462%  48.1472%
---------- | --------- --------- --------- --------- ---------Overall |   0.0031%   0.0027%   0.0001%  51.8462%  48.1472%==================== Device Merge Information ====================DEV |      
#Q       #D   Ratio |   BLKmin   BLKavg   BLKmax    Total
---------- | -------- -------- ------- | -------- -------- -------- --------(  8, 64) |       64       59     1.1 |        2       28      176     1675
...

第一個表的第一列是具體的I/O階段，第二、三、四列分別是最小耗時、平均耗時、最大耗時（單位：s），第五列是I/O數。

第二個表是對第一個表做了耗時統計，看看整個I/O階段，哪個階段耗時占用最多。

第三個表是進行合并的信息，但是從內容來看，沒有merge信息啊。后面有所有I/O中操作的塊數量的最小值、平均值、最大值。

IO處理階段：

Q2Q：相鄰兩次進入通用塊層的I/O間隔

Q2G：I/O進入block layer到I/O請求（request）生成的時間

G2I ：I/O請求生成到被插入I/O請求隊列（request queue）的時間

Q2M：I/O進入block層到該I/O被和已存在的I/O請求合并的時間

I2D ：I/O請求進入request queue隊到分發到設備驅動的時間

M2D：I/O合并成I/O請求到分發到設備驅動的時間

D2C：I/O分到到設備驅動到設備處理完成時間

在上述過程中，Q2M、M2D兩個階段不是必然發生的，只有可以merge的I/O才會進行合并。

生產不同維度的報告

查看所有I/O D2C階段的具體延時：（-l參數將會分析D2C階段延遲，該參數后是具體的輸出文件名）

[root@k8s-slave9 longterm_io]
# btt -i sde.blktrace.bin -l sde.d2c_latency
==================== All Devices ====================ALL           MIN           AVG           MAX           N
--------------- ------------- ------------- ------------- -----------Q2Q               0.000002013   7.354920889  30.208019079          63
Q2G               0.000000889   0.000003898   0.000016826          59
G2I               0.000000591   0.000003383   0.000035937          59
Q2M               0.000000333   0.000001295   0.000002440           5
I2D               0.000000503   0.065649284   0.252996244          59
M2D               0.000003840   0.000011816   0.000017717           5
D2C               0.000128883   0.056202494   0.254664063          64
Q2C               0.000131324   0.116730664   0.262633229          64
...

執行完上面的命令后，會有如下文件生成：

[root@k8s-slave9 longterm_io]
# ls *.dat
8,64_iops_fp.dat  8,64_mbps_fp.dat  sde.d2c_latency_8,64_d2c.dat  sys_iops_fp.dat  sys_mbps_fp.dat

如上輸出，可以看到：有這段時間的IOPS統計（8,64_iops_fp.dat、sys_iops_fp.dat）、帶寬統計（8,64_mbps_fp.dat、sys_mbps_fp.dat）、延遲統計（sde.d2c_latency_8,64_d2c.dat）
我們看看這些文件：

每個時間點的I
/O
個數：
[root@k8s-slave9 longterm_io]
# cat sys_iops_fp.dat
0 1
10 1
31 1
40 1
44 1
66 1
70 1
100 5
...每個時間點的帶寬：
[root@k8s-slave9 longterm_io]
# cat sys_mbps_fp.dat
0 0.019531
10 0.000977
31 0.031250
40 0.000977
44 0.003906
66 0.015625
70 0.002441
100 0.048828
...每個時間點的D2C階段延遲：
[root@k8s-slave9 longterm_io]
# cat sde.d2c_latency_8,64_d2c.dat
0.207383 0.207372
10.492647 0.009854
31.439889 0.207854
40.700689 0.009720
44.381372 0.206810
44.381372 0.206810
66.564038 0.004049
70.907380 0.008502
100.047822 0.207767
...

其中，第一列是時間戳，第二列是具體的內容

查看所有I/O的size、offset等信息：（-B參數將會輸出具體的block號，包括起始block、終止block）

[root@k8s-slave9 longterm_io]
# btt -i sde.blktrace.bin -B sde.offset
==================== All Devices ====================ALL           MIN           AVG           MAX           N
--------------- ------------- ------------- ------------- -----------Q2Q               0.000002013   7.354920889  30.208019079          63
Q2G               0.000000889   0.000003898   0.000016826          59
G2I               0.000000591   0.000003383   0.000035937          59
Q2M               0.000000333   0.000001295   0.000002440           5
I2D               0.000000503   0.065649284   0.252996244          59
M2D               0.000003840   0.000011816   0.000017717           5
D2C               0.000128883   0.056202494   0.254664063          64
Q2C               0.000131324   0.116730664   0.262633229          64
...

上述命令將輸出如下的文件：

[root@k8s-slave9 longterm_io]
# ls | grep offset
sde.offset_8,64_c.dat
sde.offset_8,64_r.dat
sde.offset_8,64_w.dat
xxx_r.dat：讀操作相關信息
xxx_w.dat：寫操作相關信息xxx_c.dat：所有操作，讀寫都有

我們看看寫操作：

[root@k8s-slave9 longterm_io]
# cat sde.offset_8,64_w.dat0.000010638 470236984 47023702410.482792539 469242512 46924251431.232035019 470237016 47023708040.690968712 469242514 46924251644.174561925 703299792 70329980066.559989117 470237072 47023710470.898878399 469242516 46924252199.840054977 470237096 470237152100.864256898 703277841 703277843...

其中第一列是時間戳，第二列是I/O操作的起始block號，第三列是I/O操作的終止block號。

參考

https://www.mimuw.edu.pl/~lichota/09-10/Optymalizacja-open-source/Materialy/10 - Dysk/gelato_ICE06apr_blktrace_brunelle_hp.pdf

http://fibrevillage.com/storage/539-blktrace-and-btt-example-to-debug-and-tune-disk-i-o-on-linux

總結

以上是生活随笔為你收集整理的利用blktrace分析磁盘I/O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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