Terokai rahsia pengoptimuman prestasi IO dalam sistem Linux

Dalam konteks data besar dan kecerdasan buatan hari ini, prestasi IO adalah penting untuk mana-mana sistem komputer. Untuk sistem Linux, kita perlu mempunyai pemahaman yang mendalam tentang model prestasi IO dan strategi pengoptimumannya. Artikel ini akan memperkenalkan secara terperinci model IO sistem Linux dan kaedah pengoptimuman prestasi untuk operasi IO yang berbeza.

Alat ujian IO pihak ketiga arus perdana termasuk [neiqian]fio[/neiqian], [neiqian]iometer[/neiqian] dan [neiqian]Orion[/neiqian].

fio lebih mudah digunakan di bawah sistem Linux, iometer lebih mudah digunakan di bawah sistem tetingkap, Orion ialah perisian ujian IO Oracle, yang boleh mensimulasikan pembacaan dan penulisan senario pangkalan data Oracle tanpa memasang pangkalan data Oracle.

Berikut ialah ujian IO pada storan SAN menggunakan alat fio pada sistem Linux.

1. Pasang fio

Kaedah 1: Muat turun fail fio-2.1.10.tar dari tapak web rasmi fio Selepas menyahmampatnya, anda boleh menggunakan fio selepas ./configure, buat dan buat pemasangan.

Kaedah 2: Pasang melalui yum di bawah sistem Linux, yum install -y fio

2. [neiqian]fio[/neiqian] penjelasan parameter

Anda boleh menggunakan fio -help untuk melihat setiap parameter Untuk parameter tertentu, anda boleh melihat cara mendokumenkan di tapak web rasmi Berikut ialah beberapa huraian parameter biasa

filename=/dev/emcpowerb 支持文件系统或者裸设备，-filename=/dev/sda2或-filename=/dev/sdb
direct=1 测试过程绕过机器自带的buffer，使测试结果更真实
rw=randwread 测试随机读的I/O
rw=randwrite 测试随机写的I/O
rw=randrw 测试随机混合写和读的I/O
rw=read 测试顺序读的I/O
rw=write 测试顺序写的I/O
rw=rw 测试顺序混合写和读的I/O
bs=4k 单次io的块文件大小为4k
bsrange=512-2048 同上，提定数据块的大小范围
size=5g 本次的测试文件大小为5g，以每次4k的io进行测试
numjobs=30 本次的测试线程为30
runtime=1000 测试时间为1000秒，如果不写则一直将5g文件分4k每次写完为止
ioengine=psync io引擎使用pync方式，如果要使用libaio引擎，需要yum install libaio-devel包
rwmixwrite=30 在混合读写的模式下，写占30%
group_reporting 关于显示结果的，汇总每个进程的信息
此外
lockmem=1g 只使用1g内存进行测试
zero_buffers 用0初始化系统buffer
nrfiles=8 每个进程生成文件的数量

3. Penjelasan terperinci senario ujian fio dan penjanaan laporan

Senario ujian:

100% rawak, 100% dibaca, 4K

fio -filename=/dev/emcpowerb -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randread -ioengine=psync -

bs=4k -size=1000G -numjobs=50 -runtime=180 -group_reporting -name=rand_100read_4k

100% rawak, 100% bertulis, 4K

fio -filename=/dev/emcpowerb -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randwrite -ioengine=psync -

bs=4k -size=1000G -numjobs=50 -runtime=180 -group_reporting -name=rand_100write_4k

100% berurutan, 100% dibaca, 4K

fio -filename=/dev/emcpowerb -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=read -ioengine=psync -

bs=4k -size=1000G -numjobs=50 -runtime=180 -group_reporting -name=sqe_100read_4k

100% berurutan, 100% bertulis, 4K

fio -filename=/dev/emcpowerb -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=write -ioengine=psync -

bs=4k -size=1000G -numjobs=50 -runtime=180 -group_reporting -name=sqe_100write_4k

100% rawak, 70% membaca, 30% menulis 4K

fio -filename=/dev/emcpowerb -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randrw -rwmixread=70 -

ioengine=psync -bs=4k -size=1000G -numjobs=50 -runtime=180 -group_reporting -name=randrw_70read_4k

Pandangan laporan keputusan:

[root@rac01-node02]# fio -filename=/dev/sdc4 -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randrw -rwmixre
ad=70 -ioengine=psync -bs=4k -size=1000G -numjobs=50 -runtime=180 -group_reporting -name=r
andrw_70read_4k_local
randrw_70read_4k_local: (g=0): rw=randrw, bs=4K-4K/4K-4K/4K-4K, ioengine=psync, iodepth=1
...
fio-2.1.10
Starting 50 threads
Jobs: 21 (f=21): [mm_m_m__mmmmmm__mm_m_mmm_mm__m_m_m] [3.4% done] [7004KB/2768KB/0KB /s]
 [1751/692/0 iops] [eta 01h:27m:00s]
randrw_70read_4k_local: (groupid=0, jobs=50): err= 0: pid=13710: Wed May 31 10:23:31 2017
read : io=1394.2MB, bw=7926.4KB/s, iops=1981, runt=180113msec

clat (usec): min=39, max=567873, avg=24323.79, stdev=25645.98
lat (usec): min=39, max=567874, avg=24324.23, stdev=25645.98
clat percentiles (msec):
| 1.00th=[ 3], 5.00th=[ 5], 10.00th=[ 6], 20.00th=[ 7],
| 30.00th=[ 9], 40.00th=[ 12], 50.00th=[ 16], 60.00th=[ 21],
| 70.00th=[ 27], 80.00th=[ 38], 90.00th=[ 56], 95.00th=[ 75],
| 99.00th=[ 124], 99.50th=[ 147], 99.90th=[ 208], 99.95th=[ 235],
| 99.99th=[ 314]
bw (KB /s): min= 15, max= 537, per=2.00%, avg=158.68, stdev=38.08

write: io=615280KB, bw=3416.8KB/s, iops=854, runt=180113msec

clat (usec): min=167, max=162537, avg=2054.79, stdev=7665.24
lat (usec): min=167, max=162537, avg=2055.38, stdev=7665.23
clat percentiles (usec):
| 1.00th=[ 201], 5.00th=[ 227], 10.00th=[ 249], 20.00th=[ 378],
| 30.00th=[ 548], 40.00th=[ 692], 50.00th=[ 844], 60.00th=[ 996],
| 70.00th=[ 1160], 80.00th=[ 1304], 90.00th=[ 1720], 95.00th=[ 3856],
| 99.00th=[40192], 99.50th=[58624], 99.90th=[98816], 99.95th=[123392],
| 99.99th=[148480]
bw (KB /s): min= 6, max= 251, per=2.00%, avg=68.16, stdev=29.18
lat (usec) : 50=0.01%, 100=0.03%, 250=3.15%, 500=5.00%, 750=5.09%
lat (usec) : 1000=4.87%
lat (msec) : 2=9.64%, 4=4.06%, 10=21.42%, 20=18.08%, 50=19.91%
lat (msec) : 100=7.24%, 250=1.47%, 500=0.03%, 750=0.01%

cpu : usr=0.07%, sys=0.21%, ctx=522490, majf=0, minf=7
IO depths : 1=100.0%, 2=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, >=64=0.0%

submit : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
complete : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
issued : total=r=356911/w=153820/d=0, short=r=0/w=0/d=0
latency : target=0, window=0, percentile=100.00%, depth=1

Run status group 0 (all jobs):
READ: io=1394.2MB, aggrb=7926KB/s, minb=7926KB/s, maxb=7926KB/s, mint=180113msec,
 maxt=180113msec
WRITE: io=615280KB, aggrb=3416KB/s, minb=3416KB/s, maxb=3416KB/s, mint=180113msec, 
maxt=180113msec

Disk stats (read/write):
sdc: ios=356874/153927, merge=0/10, ticks=8668598/310288, in_queue=8978582, util=99.99%
io=执行了多少M的IO

bw=平均IO带宽
iops=IOPS
runt=线程运行时间
slat=提交延迟
clat=完成延迟
lat=响应时间
bw=带宽
cpu=利用率
IO depths=io队列
IO submit=单个IO提交要提交的IO数
IO complete=Like the above submit number, but for completions instead.
IO issued=The number of read/write requests issued, and how many of them were short.
IO latencies=IO完延迟的分布

io=总共执行了多少size的IO
aggrb=group总带宽
minb=最小.平均带宽.
maxb=最大平均带宽.
mint=group中线程的最短运行时间.
maxt=group中线程的最长运行时间.

ios=所有group总共执行的IO数.
merge=总共发生的IO合并数.
ticks=Number of ticks we kept the disk busy.
io_queue=花费在队列上的总共时间.
util=磁盘利用率

4. Kedalaman baris gilir IO dilanjutkan

Pada masa tertentu, terdapat N permintaan IO dalam penerbangan, termasuk permintaan IO dalam baris gilir dan permintaan IO sedang diproses oleh cakera. N ialah kedalaman baris gilir.

Meningkatkan kedalaman baris gilir cakera keras adalah untuk menjadikan cakera keras berfungsi secara berterusan dan mengurangkan masa terbiar cakera keras.
Tingkatkan kedalaman baris gilir -> Tingkatkan penggunaan -> Dapatkan puncak IOPS dan MBPS -> Ambil perhatian bahawa masa tindak balas adalah dalam julat yang boleh diterima,
Terdapat banyak cara untuk meningkatkan kedalaman baris gilir Menggunakan IO tak segerak dan memulakan berbilang permintaan IO pada masa yang sama adalah bersamaan dengan mempunyai berbilang permintaan IO dalam baris gilir.
Tingkatkan saiz IO aplikasi Selepas mencapai lapisan bawah, ia akan menjadi berbilang permintaan IO, yang bersamaan dengan berbilang permintaan IO dalam baris gilir.
Apabila kedalaman baris gilir meningkat, masa menunggu IO dalam baris gilir juga akan meningkat, menyebabkan masa tindak balas IO yang lebih lama, yang memerlukan pertukaran.

Kenapa kita perlu selarikan cakera I/O? Tujuan utama adalah untuk meningkatkan prestasi aplikasi. Ini amat penting untuk cakera maya (atau LUN) yang terdiri daripada berbilang cakera fizikal.

Jika I/O diserahkan satu demi satu, walaupun masa tindak balas adalah lebih pendek, daya pemprosesan sistem adalah sangat kecil.
Sebagai perbandingan, menyerahkan berbilang I/O pada satu masa bukan sahaja memendekkan jarak pergerakan kepala (melalui algoritma lif), tetapi juga meningkatkan IOPS.
Jika lif hanya boleh memuatkan seorang pada satu masa, maka setelah semua orang menaiki lif, mereka boleh sampai ke destinasi mereka dengan cepat (masa tindak balas), tetapi ia akan mengambil masa menunggu yang lebih lama (panjang beratur).
Menyerahkan berbilang I/O ke sistem cakera sekaligus mengimbangi pemprosesan dan masa tindak balas keseluruhan.

Sistem Linux untuk melihat kedalaman baris gilir lalai:

[root@qsdb ~]# lsscsi -l
[0:0:0:0] disk DGC VRAID 0533 /dev/sda

state=running queue_depth=30 scsi_level=5 type=0 device_blocked=0 timeout=30
[0:0:1:0] disk DGC VRAID 0533 /dev/sdb

state=running queue_depth=30 scsi_level=5 type=0 device_blocked=0 timeout=30
[2:0:0:0] disk DGC VRAID 0533 /dev/sdd

state=running queue_depth=30 scsi_level=5 type=0 device_blocked=0 timeout=30
[2:0:1:0] disk DGC VRAID 0533 /dev/sde

state=running queue_depth=30 scsi_level=5 type=0 device_blocked=0 timeout=30
[4:2:0:0] disk IBM ServeRAID M5210 4.27 /dev/sdc

state=running queue_depth=256 scsi_level=6 type=0 device_blocked=0 timeout=90
[9:0:0:0] cd/dvd Lenovo SATA ODD 81Y3677 IB00 /dev/sr0

state=running queue_depth=1 scsi_level=6 type=5 device_blocked=0 timeout=30

Gunakan arahan dd untuk menetapkan bs=2M untuk ujian:

dd if=/dev/zero of=/dev/sdd bs=2M count=1000 oflag=direct

1000+0 bacaan direkodkan 1000+0 tulisan direkodkan 2097152000 bait (2.1 GB) disalin, 10.6663 saat, 197 MB/saat

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

sdd 0.00 0.00 0.00 380.60 0.00 389734.40 1024.00 2.39 6.28 2.56 97.42

Anda boleh melihat bahawa selepas 2MB IO mencapai lapisan bawah, ia akan bertukar menjadi berbilang IO 512KB Purata panjang gilir ialah 2.39 Kadar penggunaan cakera keras ini ialah 97%, dan MBPS mencapai 197MB/s.

(Mengapa ia menjadi 512KB IO? Anda boleh menggunakan Google untuk menyemak maksud dan penggunaan parameter kernel max_sectors_kb.) Dengan kata lain, meningkatkan kedalaman baris gilir boleh menguji nilai puncak cakera keras.

5. Penjelasan terperinci melihat arahan IO iostat dalam sistem Linux

[root@rac01-node01 /]# iostat -xd 3
Linux 3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64 (rac01-node01) 05/27/2017 _x8664 (40 CPU)
Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util
sda 0.05 0.75 2.50 0.50 76.59 69.83 48.96 0.00 1.17 0.47 0.14
scd0 0.00 0.00 0.02 0.00 0.11 0.00 5.25 0.00 21.37 20.94 0.05
dm-0 0.00 0.00 2.40 1.24 75.88 69.83 40.00 0.01 1.38 0.38 0.14
dm-1 0.00 0.00 0.02 0.00 0.14 0.00 8.00 0.00 0.65 0.39 0.00
sdc 0.00 0.00 0.01 0.00 0.11 0.00 10.20 0.00 0.28 0.28 0.00
sdb 0.00 0.00 0.01 0.00 0.11 0.00 10.20 0.00 0.15 0.15 0.00
sdd 0.00 0.00 0.01 0.00 0.11 0.00 10.20 0.00 0.25 0.25 0.00
sde 0.00 0.00 0.01 0.00 0.11 0.00 10.20 0.00 0.14 0.14 0.00

Keterangan parameter output:

rrqms：每秒这个设备相关的读取请求有多少被Merge了（当系统调用需要读取数据的时候，VFS将请求发到各个FS，如果FS发现不同的读取请求读取的是相同Block的数据，FS会将这个请求合并Merge）
wrqm/s：每秒这个设备相关的写入请求有多少被Merge了。
rsec/s：The number of sectors read from the device per second.
wsec/s：The number of sectors written to the device per second.
rKB/s：The number of kilobytes read from the device per second.
wKB/s：The number of kilobytes written to the device per second.
avgrq-sz：平均请求扇区的大小,The average size (in sectors) of the requests that were issued to the device.
avgqu-sz：是平均请求队列的长度。毫无疑问，队列长度越短越好,The average queue length of the requests that were issued to the device.

await：每一个IO请求的处理的平均时间（单位是微秒毫秒）。这里可以理解为IO的响应时间，一般地系统IO响应时间应该低于5ms，如果大于10ms就比较大了。
这个时间包括了队列时间和服务时间，也就是说，一般情况下，await大于svctm，它们的差值越小，则说明队列时间越短，反之差值越大，队列时间越长，说明系统出了问题。
svctm：表示平均每次设备I/O操作的服务时间（以毫秒为单位）。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。
%util： 在统计时间内所有处理IO时间，除以总共统计时间。例如，如果统计间隔1秒，该设备有0.8秒在处理IO，而0.2秒闲置，那么该设备的%util = 0.8/1 = 80%，
所以该参数暗示了设备的繁忙程度，一般地，如果该参数是100%表示磁盘设备已经接近满负荷运行了（当然如果是多磁盘，即使%util是100%，因为磁盘的并发能力，所以磁盘使用未必就到了瓶颈）。

Melalui penerokaan dan percubaan dalam artikel ini, kita dapat melihat bahawa pengoptimuman prestasi IO sistem Linux bukanlah masalah yang boleh diselesaikan dengan hanya menambah baik konfigurasi perkakasan sistem, tetapi memerlukan pertimbangan dan pengoptimuman yang komprehensif untuk senario aplikasi dan operasi IO tertentu. Kita boleh menggunakan pelbagai kaedah dan alatan untuk menala prestasi IO dalam sistem Linux, seperti menggunakan penjadual IO, menggunakan tatasusunan RAID, menggunakan cache cakera keras, dsb. Kami berharap penerokaan kami dapat memberi pencerahan dan membantu kebanyakan pengguna, supaya prestasi IO sistem Linux anda boleh dipertingkatkan ke tahap yang lebih tinggi.

Atas ialah kandungan terperinci Terokai rahsia pengoptimuman prestasi IO dalam sistem Linux. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!