So überwachen Sie die E/A-Leistung von Linux-Festplatten

Der E/A-Stack des Speichersystems von Linux besteht aus drei Teilen: Dateisystemschicht, allgemeine Blockschicht** und **Geräteschicht.

Unter diesen ist die allgemeine Blockschicht der Kern der Linux-Festplatten-E/A. Es bietet eine Standardschnittstelle nach oben für den Zugriff auf Blockgeräte von Dateisystemen und Anwendungen. Nach unten abstrahiert es verschiedene heterogene Festplattengeräte zu einem einheitlichen Blockgerät und reagiert auf vom Dateisystem und von Anwendungen gesendete E/A.

In diesem Artikel befassen wir uns mit Kennzahlen zur Festplattenleistung und wie man sie anzeigt.

Linux-Festplattenleistungsmetriken

Bei der Messung der Festplattenleistung erwähnen wir häufig fünf gängige Kennzahlen: Auslastung, Sättigung, IOPS, Durchsatz und Antwortzeit. Diese fünf Indikatoren sind die grundlegenden Indikatoren zur Messung der Festplattenleistung.

1. Auslastung: Der Prozentsatz der Zeit, die die Festplatte E/A verarbeitet. Eine übermäßige Auslastung (z. B. über 80 %) bedeutet in der Regel einen Leistungsengpass bei der Festplatten-E/A.
2. Sättigung: Bezieht sich darauf, wie beschäftigt die Festplatte mit der Verarbeitung von E/A ist. Eine Übersättigung bedeutet, dass die Festplatte einen ernsthaften Leistungsengpass aufweist. Wenn die Sättigung 100 % beträgt, kann die Festplatte keine neuen E/A-Anfragen akzeptieren.
3. IOPS (Input/Output Per Second): bezieht sich auf die Anzahl der I/O-Anfragen pro Sekunde.
4. Durchsatz: Die Größe der E/A-Anfragen pro Sekunde.
5. Antwortzeit: Bezieht sich auf den Zeitraum zwischen dem Senden einer I/O-Anfrage und dem Empfang einer Antwort.

Es ist zu beachten, dass wir bei der Auslastung nur berücksichtigen, ob E/A vorhanden ist, nicht die Größe der E/A. Das heißt, bei einer Auslastung von 100 % ist es der Festplatte immer noch möglich, neue E/A-Anfragen anzunehmen.

Im Allgemeinen müssen Sie bei der Auswahl eines Servers für eine Anwendung zunächst die E/A-Leistung der Festplatte bewerten, um die Festplattenleistung genau zu bewerten und festzustellen, ob sie die Anwendungsanforderungen erfüllen kann.

Natürlich müssen Sie dazu die Leistung verschiedener I/O-Größen (normalerweise zwischen 512 B und 1 MB) in verschiedenen Anwendungsszenarien testen, z. usw. Festplatten-E/A-Beobachtung Das erste, was Sie beobachten sollten, ist die Nutzung jeder Festplatte. iostat ist das am häufigsten verwendete Tool zur Beobachtung der Festplatten-E/A-Leistung. Es bietet eine Vielzahl gängiger Leistungsmetriken wie „Auslastung“, „IOPS“ und „Durchsatz“ pro Festplatte. Natürlich stammen diese Kennzahlen tatsächlich von .

Das Folgende ist ein Beispiel für die Ausgabe von

:

# -d -x means display all disk I/O performance
$ iostat -d -x 1 
Device            r/s     w/s     rkB/s     wkB/s   rrqm/s   wrqm/s  %rrqm  %wrqm r_await
 w_await aqu-sz rareq-sz wareq-sz  svctm  %util 
loop0            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   0.00   0.00 
loop1            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   0.00   0.00 
sda              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   0.00   0.00 
sdb              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   0.00   0.00

Unter den oben genannten Indikatoren müssen Sie auf Folgendes achten:

• %util 是我们前面提到的磁盘 I/O 使用情况
• r/s 和 w/s 是 IOPS
• rkB/s 和 wkB/s 是吞吐量
• r_await 和 w_await 是响应时间

您可能已经注意到 iostat 不能直接获取磁盘的饱和度。事实上，通常没有什么简单的方法可以测量饱和度。但是，您可以将观察到的平均请求队列长度或完成读写请求的等待时间与基准测试（例如通过 fio）的结果进行比较，以综合评估磁盘饱和度。

进程 I/O 观察

除了每个磁盘的 I/O 情况，每个进程的 I/O 情况也是大家关注的重点。

上面提到的 iostat 只提供了观察磁盘的整体 I/O 性能数据。缺点是无法知道哪些进程正在读写磁盘。要观察进程的 I/O，还可以使用 pidstat 和 iotop 工具。

例如，要使用 pidstat

$ pidstat -d 1 
13:39:51      UID       PID   kB_rd/s   kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay  Command 
13:39:52      102       916      0.00      4.00      0.00       0  rsyslogd

从 pidstat 的输出可以看出，它可以实时查看每个进程的 I/O 情况，这包括以下内容：

• 用户 ID (UID) 和进程 ID (PID)。
• 每秒读取的数据大小 (kB_rd/s)，以 KB 为单位。
• 每秒发出的写请求数据的大小（kB_wr/s），单位为KB。
• 每秒取消写入请求的数据大小 (kB_ccwr/s)，以 KB 为单位。
• 块 I/O 延迟 (iodelay)，包括等待同步块（synchronized block）I/O 和换入块（swap-in block）I/O 完成的时间，以时钟周期为单位。

除了使用 pidstat 实时查看进程磁盘 I/O 外，还有一个磁盘性能分析的常用方法是根据 I/O 大小对进程进行排序。为此，我推荐 iotop 工具。它是一个类似于 top 的工具，您可以按 I/O 大小对进程进行排序，并找到具有更大 I/O 的进程。

$ iotop
Total DISK READ :       0.00 B/s | Total DISK WRITE :       7.85 K/s 
Actual DISK READ:       0.00 B/s | Actual DISK WRITE:       0.00 B/s 
  TID  PRIO  USER     DISK READ  DISK WRITE  SWAPIN     IO>    COMMAND 
15055 be/3 root        0.00 B/s    7.85 K/s  0.00 %  0.00 % systemd-journald

从该输出可以看到，前两行分别代表进程的磁盘读写总大小和磁盘的实际读写总大小。由于缓存、缓冲区、I/O 合并等因素，它们可能不相等。

剩下的部分从各个角度代表了进程的 I/O 情况，包括 线程 ID、I/O 优先级、每秒磁盘读取大小、每秒磁盘写入大小、换入百分比和等待 I/O 时钟百分比。

结论

在本文中，我介绍了 Linux 磁盘 I/O 的性能指标和查看性能工具。我们通常使用 IOPS、吞吐量、利用率、饱和度和响应时间等几个指标来评估磁盘的 I/O 性能。

可以使用 iostat 获取磁盘的 I/O 情况，也可以使用 pidstat、iotop 等观察进程的 I/O 情况。但在分析这些性能指标时，要注意结合读写比率、I/O 类型、I/O 大小等综合分析。

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