linux基础——磁盘I/O

Posted 2021-04-08 爱可可的人生记录仪

磁盘

磁盘是可以持久化存储的设备，在 Linux 中，磁盘实际上是作为一个块设备来管理的，也就是以块为单位读写数据，并且支持随机读写。每个块设备都会被赋予两个设备号，分别是主、次设备号。主设备号用在驱动程序中，用来区分设备类型；而次设备号则是用来给多个同类设备编号。

通用块层

和VFS类似，Linux 通过一个统一的通用块层，来管理各种不同的块设备。其实是在文件系统和磁盘驱动中间的一个块设备抽象层。有两个功能，1.跟虚拟文件系统的功能类似。向上，为文件系统和应用程序，提供访问块设备的标准接口；向下，把各种异构的磁盘设备抽象为统一的块设备，并提供统一框架来管理这些设备的驱动程序。2.通用块层还会给文件系统和应用程序发来的 I/O 请求排队，并通过重新排序、请求合并等方式，提高磁盘读写的效率。I/O排序的过程也被称为IO调度，Linux 内核支持四种 I/O 调度算法，分别是 NONE、NOOP、CFQ 以及 DeadLine。NONE不做处理，NOOP先入先出的队列，常见于SSD。CFQ是现在很多版本的默认调度算法，它为每个进程维护了一个 I/O 调度队列，并按照时间片来均匀分布每个进程的 I/O 请求，适用于大量进程的系统。DeadLine 分别为读、写请求创建了不同的 I/O 队列，可以提高机械磁盘的吞吐量，并确保达到最终期限（deadline）的请求被优先处理，多用在 I/O 压力比较重的场景，比如数据库等。

I/O栈

可以把 Linux 存储系统的 I/O 栈，由上到下分为三个层次，分别是文件系统层、通用块层和设备层。

文件系统层，包括虚拟文件系统和其他各种文件系统的具体实现。它为上层的应用程序，提供标准的文件访问接口；对下会通过通用块层，来存储和管理磁盘数据。

通用块层，包括块设备 I/O 队列和 I/O 调度器。它会对文件系统的 I/O 请求进行排队，再通过重新排序和请求合并，然后才要发送给下一级的设备层。

设备层，包括存储设备和相应的驱动程序，负责最终物理设备的 I/O 操作。

磁盘性能指标

使用率，是指磁盘处理 I/O 的时间百分比。过高的使用率（比如超过 80%），通常意味着磁盘 I/O 存在性能瓶颈。

饱和度，是指磁盘处理 I/O 的繁忙程度。过高的饱和度，意味着磁盘存在严重的性能瓶颈。当饱和度为 100% 时，磁盘无法接受新的 I/O 请求。

IOPS（Input/Output Per Second），是指每秒的 I/O 请求数。

吞吐量，是指每秒的 I/O 请求大小。

响应时间，是指 I/O 请求从发出到收到响应的间隔时间。

性能测试工具fio

磁盘 I/O 观测

iostat 是最常用的磁盘 I/O 性能观测工具，它提供了每个磁盘的使用率、IOPS、吞吐量等各种常见的性能指标，当然，这些指标实际上来自  /proc/diskstats。

注意指标：%util ，就是磁盘 I/O 使用率。r/s+  w/s ，就是 IOPS。rkB/s+wkB/s ，就是吞吐量。r_await+w_await ，就是响应时间。

进程 I/O 观测

pidstat和iotop

参考资料：倪朋飞，Linux性能优化实战

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