如何監測 Linux 的磁碟 I/O 效能

Linux 的儲存系統I/O 堆疊由三個部分構成：檔案系統層（file system layer）、通用區塊層（general block layer）**和**裝置層（ device layer）。

其中，通用區塊層是 Linux 磁碟 I/O 的核心。它向上為存取檔案系統和應用程式的區塊設備提供了標準介面；向下將各種異質磁碟設備抽象化為統一的區塊設備，並回應檔案系統和應用程式發送的 I/O。

在本文中，我們將看看磁碟的效能指標以及如何查看這些指標。

#Linux 磁碟效能指標

在衡量磁碟效能時，我們常提到五個常見指標：利用率、飽和度、IOPS、吞吐量和回應時間。這五個指標是衡量磁碟效能的基本指標。

1. 利用率（Utilization）：磁碟處理 I/O 的時間百分比。過度使用（如超過 80%）通常意味著磁碟 I/O 存在效能瓶頸。
2. 飽和度（Saturation）：指磁碟處理 I/O 的繁忙程度。過度飽和意味著磁碟存在嚴重的效能瓶頸。當飽和度為 100% 時，磁碟無法接受新的 I/O 請求。
3. IOPS（Input/Output Per Second）：指每秒 I/O 請求的數量。
4. 吞吐量（Throughput）：每秒 I/O 請求的大小。
5. 回應時間（Response time）：指發送 I/O 請求和接收回應之間的間隔時間。

要注意的是，關於利用率，我們只考慮有無 I/O，而不考慮 I/O 的大小。也就是說，當利用率為 100% 時，磁碟仍有可能接受新的 I/O 請求。

一般來說，在為應用程式選擇伺服器時，首先要對磁碟的 I/O 效能進行基準測試，以準確評估磁碟效能並判斷是否能滿足應用需求。

當然，這需要你在隨機讀、順序讀、隨機寫、順序寫等各種應用場景下測試不同I/O 大小（通常在512B ~ 1MB 之間）的效能。

磁碟 I/O 觀察值

首先要觀察的是每個磁碟的使用情況。 iostat 是最常用的磁碟 I/O 效能觀察工具。它提供了各種常用效能指標，例如每個磁碟的利用率、IOPS 和吞吐量。當然，這些指標其實是來自 /proc/diskstats。

以下是 iostat 的輸出範例：

# -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

在上述指標中，您需要注意的是：

• %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。

以上是如何監測 Linux 的磁碟 I/O 效能的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！