Linux - 磁盘I/O性能评估

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概述

RAID

可以根据应用的不同，选择不同的RAID方式

• 如果一个应用经常有大量的读操作，可以选择以RAID5方式构建磁盘阵列存储数据；
• 如果应用有大量频繁的写操作，可以选择RAID0存取方式；
• 如果应用对数据安全要求很高，同时对读写也有要求，可以考虑RAID01存取方式；

Linux-Raid0、Raid1、Raid5、Raid10初探

• 尽可能用内存的读写代替直接磁盘I/O，使频繁访问的文件或数据放入内存中进行操作处理，因为内存读写操作比直接磁盘读写的效率要高千倍。
• 将经常进行读写的文件与长期不变的文件独立出来，分别放置到不同的磁盘设备上。
• 对于写操作频繁的数据，可以考虑使用裸设备代替文件系统。

文件系统与裸设备的对比

使用裸设备的优点:
- 数据可以直接读写，不需要经过操作系统级的缓存，节省了内存资源，避免了内存资源争用。
- 避免了文件系统级的维护开销，比如文件系统需要维护超级块、inode等。
- 避免了操作系统的缓存预读功能，减少了I/O请求。

使用裸设备的缺点:
- 数据管理、空间管理不灵活，需要很专业的人来操作。
其实裸设备的优点就是文件系统的缺点，反之也是如此。合理的规划和衡量，根据应用的需求，做出对应的策略。

裸设备 raw device

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磁盘I/O性能评判标准

正常情况下，svctm应该是小于await值的，而svctm的大小和磁盘性能有关，CPU、内存的负荷也会对svctm值造成影响，过多的请求也会间接导致svctm值的增加。

await值的大小一般取决于svctm的值和I/O队列长度以及I/O请求模式。如果svctm的值与await很接近，表示几乎没有I/O等待，磁盘性能很好。如果await的值远高于svctm的值，则表示I/O队列等待太长，系统上运行的应用程序将变慢，此时可以通过更换更快的硬盘来解决问题。

%util项的值也是衡量磁盘I/O的一个重要指标。如果%util接近100%，表示磁盘产生的I/O请求太多，I/O系统已经满负荷地在工作，该磁盘可能存在瓶颈。长期下去，势必影响系统的性能，可以通过优化程序或者通过更换更高、更快的磁盘来解决此问题。

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常用命令

“sar –d”命令组合

通过“sar –d”命令组合，可以对系统的磁盘I/O做一个基本的统计

[root@VM-24-3-centos ~]# sar -d 2 3
Linux 3.10.0-1160.11.1.el7.x86_64 (VM-24-3-centos)      03/06/2023      _x86_64_        (2 CPU)08:56:57 AM       DEV       tps  rd_sec/s  wr_sec/s  avgrq-sz  avgqu-sz     await     svctm     %util
08:56:59 AM  dev253-0      1.50      0.00     12.00      8.00      0.00      1.00      0.33      0.05
08:56:59 AM   dev11-0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.0008:56:59 AM       DEV       tps  rd_sec/s  wr_sec/s  avgrq-sz  avgqu-sz     await     svctm     %util
08:57:01 AM  dev253-0     54.00      0.00    640.00     11.85      0.20      3.84      0.18      0.95
08:57:01 AM   dev11-0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.0008:57:01 AM       DEV       tps  rd_sec/s  wr_sec/s  avgrq-sz  avgqu-sz     await     svctm     %util
08:57:03 AM  dev253-0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
08:57:03 AM   dev11-0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00Average:          DEV       tps  rd_sec/s  wr_sec/s  avgrq-sz  avgqu-sz     await     svctm     %util
Average:     dev253-0     18.50      0.00    217.33     11.75      0.07      3.77      0.18      0.33
Average:      dev11-0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
[root@VM-24-3-centos ~]#

• DEV表示磁盘设备名称。
• tps表示每秒到物理磁盘的传送数，也就是每秒的I/O流量。一个传送就是一个I/O请求，多个逻辑请求可以合并为一个物理I/O请求。
• rd_sec/s表示每秒从设备读取的扇区数（1扇区=512字节）。
• wr_sec/s表示每秒写入设备的扇区数目。
• avgrq-sz表示平均每次设备I/O操作的数据大小（以扇区为单位）。
• avgqu-sz表示平均I/O队列长度。
• await表示平均每次设备I/O操作的等待时间（以毫秒为单位）。
• svctm表示平均每次设备I/O操作的服务时间（以毫秒为单位）。
• %util表示一秒中有百分之几的时间用于I/O操作。

Linux中I/O请求系统与现实生活中超市购物排队系统有很多类似的地方，通过对超市购物排队系统的理解，可以很快掌握Linux中I/O运行机制。比如：

• avgrq-sz类似于超市排队中每人所买东西的多少。
• avgqu-sz类似于超市排队中单位时间内平均排队的人数。
• await类似于超市排队中每人的等待时间。
• svctm类似于超市排队中收银员的收款速度。
• %util类似于超市收银台前有人排队的时间比例。

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“iostat –d”命令组合

[root@VM-24-3-centos ~]#  iostat -d 2 3
Linux 3.10.0-1160.11.1.el7.x86_64 (VM-24-3-centos)      03/06/2023      _x86_64_        (2 CPU)Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn
vda               3.91         1.06        29.56   21828907  611223560
scd0              0.00         0.00         0.00        316          0Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn
vda               0.00         0.00         0.00          0          0
scd0              0.00         0.00         0.00          0          0Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn
vda               0.50         0.00         4.00          0          8
scd0              0.00         0.00         0.00          0          0[root@VM-24-3-centos ~]#

• tps：该设备每秒的传输次数（Indicate the number of transfers per second that were issued to the device.）。“一次传输"意思是"一次I/O请求”。多个逻辑请求可能会被合并为"一次I/O请求"。"一次传输"请求的大小是未知的。
• kB_read/s：每秒从设备（drive expressed）读取的数据量；
• kB_wrtn/s：每秒向设备（drive expressed）写入的数据量；
• kB_read：读取的总数据量；
• kB_wrtn：写入的总数量数据量；这些单位都为Kilobytes。

这里需要注意的一点是，上面输出上的第一项是系统从启动以来到统计时的所有传输信息，第二次输出的数据才代表在检测的时间段内系统的传输值。

“iostat –x”单独统计某个磁盘的I/O

“iostat –x”命令组合还提供了对每个磁盘的单独统计，如果不指定磁盘，默认对所有磁盘进行统计

• rrqm/s表示每秒进行合并的读操作数目。
• wrqm/s表示每秒进行合并的写操作数目。
• r/s表示每秒完成读I/O设备的次数。
• w/s表示每秒完成写I/O设备的次数。
• rsec/s表示每秒读取的扇区数。
• wsec/s表示每秒写入的扇区数。

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“vmstat –d”命令组合

通过“vmstat –d”命令组合也可以查看磁盘的统计数据。

[root@VM-24-3-centos ~]# vmstat -d 3 2
disk- ------------reads------------ ------------writes----------- -----IO------total merged sectors      ms  total merged sectors      ms    cur    sec
vda   591170   3530 43657830 4460432 80215339 54988709 1222778513 249512681      0  25485
sr0       89      0     632      22      0      0       0       0      0      0
vda   591170   3530 43657830 4460432 80215379 54988754 1222779225 249512735      0  25485
sr0       89      0     632      22      0      0       0       0      0      0
[root@VM-24-3-centos ~]#

显示了磁盘的reads、writes和IO的使用状况。

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小结

衡量磁盘I/O好坏是多方面的，有应用程序本身的，也有硬件设计上的，还有系统自身配置的问题等。要解决I/O的瓶颈，关键是要提高I/O子系统的执行效率。

• 首要，要从应用程序上对磁盘读写进行优化，能够放到内存中执行的操作，尽量不要放到磁盘上。
• 其次，对磁盘存储方式进行合理规划，选择适合自己的RAID存取方式。
• 最后，在系统级别上，可以选择适合自身应用的文件系统，必要时使用裸设备提高读写性能。