Linux性能优化之磁盘优化

Posted 2020-10-07 Go_小易

前言

关于本章内容，设计的东西比较多。这里会有关于文件系统、磁盘、CPU等方面的知识，以及涉及到关于这方面的性能排查等。

术语

文件系统通过缓存和缓冲以及异步I/O等手段来缓和磁盘的延时对应用程序的影响。为了更详细的了解文件系统，以下就简单介绍一些相关术语：

• 文件系统：一种把数据组织成文件和目录的存储方式，提供了基于文件的存取接口，并通过文件权限控制访问。另外，一些表示设备、套接字和管道的特殊文件类型，以及包含文件访问时间戳的元数据。
• 文件系统缓存：主存(通常是DRAM) 的一块区域，用来缓存文件系统的内容，可能包含各种数据和元数据。
• 操作：文件系统的操作是对文件系统的请求，包括读、写、打开、关闭、创建以及其他操作。
• I/O：输入/输出。文件系统I/O有多种定义，这里仅指直接读写（执行I/O）的操作，包括读、写、状态统计、创建。I/O不包括打开文件和关闭文件。
• 逻辑I/O：由应用程序发给文件系统的I/O。
• 物理I/O：由文件系统直接发给磁盘的I/O。
• 吞吐量：当前应用程序和文件系统之间的数据传输率，单位是B/S。
• inode：一个索引节点时一种含有文件系统对象元数据的数据结构，其中有访问权限、时间戳以及数据指针。
• VFS：虚拟文件系统，一个为了抽象与支持不同文件系统类型的内核接口。

磁盘相关术语：

• 存储设备的模拟。在系统看来，这是一块物理磁盘，但是，它可能由多块磁盘组成。
• 传输总线：用来通信的物理总线，包括数据传输以及其他磁盘命令。
• 扇区：磁盘上的一个存储块，通常是512B的大小。
• I/O：对于磁盘，严格地说仅仅指读、写，而不包括其他磁盘命令。I/O至少由方向（读或写）、磁盘地址（位置）和大小（字节数）组成。
• 磁盘命令：除了读写之外，磁盘还会被指派执行其他非数据传输的命令（例如缓存写回）。
• 带宽：存储传输或者控制器能够达到的最大数据传输速率。
• I/O延时：一个I/O操作的执行时间，这个词在操作系统领域广泛使用，早已超出了设备层。

相关概念

　　文件系统延时
       文件系统延时是文件系统性能一项主要的指标，指的是一个文件系统逻辑请求从开始到结束的时间。它包括消耗在文件系统、内核磁盘I/O子系统以及等待磁盘设备——物理I/O的时间。应用程序的线程通常在请求时阻塞，等地文件系统请求的结束。这种情况下，文件系统的延时与应用程序的性能直接和成正比关系。在某些情况下，应用程序并不受文件系统的直接影响，例如非阻塞I/O或者I/O由一个异步线程发起。

　　缓存

       文件系统启动之后会使用主存(RAM)当缓存以提供性能。缓存大小随时间增长而操作系统的空余内存不断减小，当应用程序需要更多内存时，内核应该迅速从文件系统缓存中释放一些内存空间。文件系统用缓存(caching)提高读性能，而用缓冲(buffering)提高写性能。文件系统和块设备子系统一般使用多种类型的缓存。

　　随机I/O与顺序I/O
        一连串的文件系统逻辑I/O，按照每个I/O的文件偏移量，可以分为随机I/O与顺序I/O。顺序I/O里每个I/O都开始于上一个I/O结束的地址。随机I/O则找不出I/O之间的关系，偏移量随机变化。随机的文件系统负载也包括存取随机的文件。由于存储设备的某些性能特征的缘故，文件系统一直以来在磁盘上顺序和连续的存放文件数据，以努力减小随机I/O的数目。当文件系统未能达到这个目标时，文件的摆放变得杂乱无章，顺序的逻辑I/O被分解成随机的物理I/O，这种情况被称为碎片化。

提示：关于文件系统更多内容，还请自行查阅相关理论。比如你还需要了解文件系统的预读、预取、写回缓存、同步写、裸I/O、直接I/O、内存映射文件、元数据等相关知识。

性能分析

具备背景知识是分析性能问题时需要了解的。比如硬件 cache;再比如操作系统内核。应用程序的行为细节往往是和这些东西互相牵扯的，这些底层的东西会以意想不到的方式影响应用程序的性能，比如某些程序无法充分利用 cache，从而导致性能下降。比如不必要地调用过多的系统调用，造成频繁的内核 / 用户切换等。如果想深入了解Linux系统，建议购买相关书籍进行系统的学习。下面我们介绍如何分析磁盘性能工具（其实准确来说，不只是磁盘）：

iostat

汇总了单个磁盘的统计信息，为磁盘负载、使用率和饱和度提供了指标。默认显示一行系统总结信息，包括内核版本、主机名、日志、架构和CPU数量等，每个磁盘设备都占一行。

[[email protected] ~]# iostat 
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (localhost.localdomain) 	2017年09月18日 	_x86_64_	(1 CPU)

avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle
           0.74    0.00    1.24    1.35    0.00   96.67

Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn
sda              14.43       456.85        60.82     218580      29098
scd0              0.02         0.09         0.00         44          0
dm-0             13.65       404.58        56.50     193571      27030
dm-1              0.27         2.23         0.00       1068          0

参数说明

• tps: 每秒事物数(IOPS)。
• kB_read/s、kB_wrtn/s: 每秒读取KB数和每秒写入KB数。
• kB_read、kB_wrtn: 总共读取和写入的KB数。

如下想输出更详细的内容，可以试试下面这个命令组合：

[[email protected] ~]# iostat -xkdz 1
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (localhost.localdomain) 	2017年09月18日 	_x86_64_	(1 CPU)

Device:         rrqm/s   wrqm/s     r/s     w/s    rkB/s    wkB/s avgrq-sz avgqu-sz   await r_await w_await  svctm  %util
sda               0.01     2.43   13.81    2.32   510.51    67.96    71.74     0.22   13.94    8.72   44.95   2.37   3.82
scd0              0.00     0.00    0.03    0.00     0.10     0.00     8.00     0.00    0.27    0.27    0.00   0.27   0.00
dm-0              0.00     0.00   10.52    4.73   452.10    63.13    67.56     0.44   28.56   10.41   68.93   2.47   3.76
dm-1              0.00     0.00    0.30    0.00     2.49     0.00    16.69     0.00    1.50    1.50    0.00   1.38   0.04

参数说明

• rrqm/s：每秒合并放入驱动请求队列的读请求数（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：每秒合并放入驱动请求队列的写请求数。
• rsec/s：每秒发给磁盘设备的读请求数。
• wsec/：每秒发给磁盘设备的写请求数。
• rKB/s：每秒从磁盘设备读取的KB数。
• wKB/s：每秒向磁盘设备写入的KB数。
• avgrq-sz 平均每次请求大小，单位为扇区(512B)。
• avgqu-sz 在驱动请求队列和在设备中活跃的平均请求数。
• await： 平均I/O响应时间，包括在驱动请求队列里等待和设备的I/O响应时间(ms)。一般地系统I/O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：磁盘设备的I/O平均响应时间(ms)。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： 设备忙处理I/O请求的百分比(使用率)。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）。

      既然avgrq-sz是合并之后的数字，小尺寸（16个扇区或者更小）可以视为无法合并的实际I/O负载的迹象。大尺寸有可能是大I/O，或者是合并的连续负载。输出性能里最重要的指标是await。如果应用程序和文件系统使用了降低写延时的方法，w_await可能不那么重要，而更应该关注r_await。
      对于资源使用和容量规划，%util仍然很重要，不过记住这只是繁忙度的一个度量（非空闲时间），对于后面有多块磁盘支持的虚拟设备意义不大。可以通过施加负载更好地了解这些设备:IOPS(r/s + w/s)以及吞吐量（rkB/s + wkB/s）。

iotop

包含磁盘I/O的top工具。

批量模式(-b)可以提供滚动输出。下面的演示仅仅显示I/O进程(-o)，每5秒输出一次(-d5)：

[[email protected] ~]# iotop -bod5

Total DISK READ :       0.00 B/s | Total DISK WRITE :       8.76 K/s
Actual DISK READ:       0.00 B/s | Actual DISK WRITE:      24.49 K/s
  TID  PRIO  USER     DISK READ  DISK WRITE  SWAPIN      IO    COMMAND
21203 be/3 root        0.00 B/s  815.58 B/s  0.00 %  0.01 % [jbd2/dm-2-8]
22069 be/3 root        0.00 B/s    0.00 B/s  0.00 %  0.01 % [jbd2/dm-1-8]
 1531 be/0 root        0.00 B/s    6.37 K/s  0.00 %  0.01 % [loop0]
 3142 be/4 root        0.00 B/s    0.00 B/s  0.00 %  0.01 % [kworker/7:0]
21246 be/4 root        0.00 B/s 1631.15 B/s  0.00 %  0.00 % java -Djava.util.logging.config.file=/usr/local/tomcat/conf/logging.properties -Djava.util.logging.manager=org.apache.juli.ClassLoaderLogManager -Djdk.tls.ephemeralDHKeySize=2048 -Djava.endorsed.dirs=/usr/local/tomcat/endorsed -classpath /usr/local/tomcat/bin/bootstrap.jar:/usr/local/tomcat/bin/tomcat-juli.jar -Dcatalina.base=/usr/local/tomcat -Dcatalina.home=/usr/local/tomcat -Djava.io.tmpdir=/usr/local/tomcat/temp org.apache.catalina.startup.Bootstrap start

提示：

        输出显示java进程正在以大约1631.15 B/s的速率施加磁盘写负载。其他有用的选项有-a，可以输出累计I/O而不是一段时间内的平均值，选项-o，只打印那些正在执行的磁盘I/O的进程。

　　当然显示磁盘的命令还有例如sar、iosnoop、perf、blktrace等命令，这里只列举常用命令即可。

性能调优

文件系统优化

关于文件系统优化，并没有太多的内容需要说明。就目前的情况，Redhat Enterprise 7系列默认更换为性能更好的XFS，这也是由于XFS在性能表现确实很好的原因。在我们使用的过程中，建议对XFS做一些简单的优化即可，比如执行格式化时指定额外的一些参数，挂载该分区时指定一些额外的挂载参数，这些都能够提高文件系统的相关性能。

格式化时的参数：

mkfs.xfs -d agcount=256 -l size=128m,lazy-count=1,version=2 /dev/diska1

mount时的参数：

defaults,noatime,nodiratime,nobarrier,discard,allocsize=256m,logbufs=8,attr2,logbsize=256k

磁盘相关优化

• 操作系统可调参数

　　包括ionice、资源控制和内核可调参数。

　　ionice

　　Linux中的ionice命令可以设置一个进程I/O调度级别和优先级。调度级别为整数，0表示无，不指定级别，内核会挑选一个默认值，优先级根据进程nice值选定；1表示实时，对磁盘的最高级别访问，如果误用会导致其他进程饿死；2表示尽力，默认调度级别，包括优先级 0~7，0为最高级；3表示空闲，在一段磁盘空闲的期限过后才允许进行I/O。如下：

ionice -c 3 -p 65552

　   cgroup

　　通过cgroup为进程或进程组提供存储设备资源控制机制。一般很少用到，不用考虑。

　   可调参数

　　/sys/block/sda/queue/scheduler：选择I/O调度器策略，是空操作、最后期限、an还是cfq；

• 磁盘设备可调参数

　　Linux上的hdparm（磁盘测试工具）工具可以设置多种磁盘设备的可调参数。

• 磁盘控制器可调参数