Linux磁盘I/O子系统

Posted 2023-05-12

参考技术A 上文学到 不管什么文件系统类型，都通过VFS(虚拟文件系统层)读和写等操作文件，写文件的元数据和文件的实际数据到磁盘 。但数据是怎么落地磁盘中的呢？落到磁盘中的都经过什么组件？

以一个写数据到磁盘为例，给出Linux I/O子系统的体系结构。

当磁盘执行写入操作时发生的 基本操作 (假设磁盘上扇区中的文件数据已经被读取到分页缓存)。

1) 一个进程通过write()系统调用 VFS虚拟文件系统 请求写一个文件。

2) 内核更新已映射文件的分页缓存。

3) 内核线程 pdflush/Per-BDI flush将分页缓存刷新到磁盘。

4) 同时 VFS虚拟文件系统层 在一个bio(block input output)结构中放置每个块缓冲，并向块设备层提交写请求。

5) 块设备层 从上层得到请求，并执行一个 I/O电梯操作，将请求放置到I/O 请求队列。

6) 设备驱动器 （比如SCSI 或 其他设备特定的驱动器）将执行写操作。

7) 磁盘设备 固件执行硬件操作，如在盘片扇区上定位磁头，旋转，数据传输。

过去的20年中，处理器性能的改进要超过计算机系统中的其他组件，如处理器缓存、物理内存及磁盘等等。 访问内存和磁盘的速度较慢会限制整个系统的性能 ，怎么解决这个问题呢？引入 磁盘缓存机制 ，在较快的存储器中缓存频繁使用的数据，减少了访问较慢的存储器的次数。

磁盘缓存机制有以下3个地方解决：

引入存储层次结构 ，在CPU和磁盘之间放置L1缓存、L2缓存、物理内存和一些其他缓存减少这种不匹配，从而让进程减少访问较慢的内存和磁盘的次数，避免CPU花费更多的时间等待来自较慢磁盘驱动器的数据。

另外一种解决思路： 在更快的存储器上实现更高的缓存命中率，就可能更快地访问数据 。怎么提高缓存命中率呢？引入 参考局部性(locality of reference) 的技术。这项技术基于以下2个原则：

1) 大多数最近使用过的数据，在不久的将来有较高的几率被再次使用(时间局部性)。

2) 驻留在数据附近的数据有较高的几率被再次使用(空间局部性)。

Linux在许多组件中使用这些原则，比如分页缓存、文件对象缓存（索引节点缓存、目录条目缓存等等）、预读缓冲等。

以进程从磁盘读取数据并将数据复制到内存的过程为例。进程可以从缓存在内存中的数据副本中检索相同的数据，用于读和写。

1) 进程写入新数据

当一个进程试图改变数据时，进程首先在内存中改变数据。此时磁盘上的数据和内存中的数据是不相同的，并且内存中的数据被称为 脏页(dirty page) 。脏页中的数据应该尽快被同步到磁盘上，因为如果系统突然发生崩溃(电源故障)则内存中的数据会丢失。

2) 将内存中的数据刷新到磁盘

同步脏数据缓冲的过程被称为 刷新 。在Linux 2.6.32内核之前(Red Hat Enterprise  Linux 5)，通过内核线程pdflush将脏页数据刷新到磁盘。在Linux 2.6.32内核中(Red Hat Enterprise Linux 6.x)pdflush被Per-BDI flush线程(BDI=Backing Device Interface)取代，Per-BDI flush线程以flush-MAJOR：MINOR的形式出现在进程列表中。当内存中脏页比例超过阀值时，就会发生刷新(flush)。

块层处理所有与块设备操作相关的活动。块层中的关键数据结构是bio(block input output)结构，bio结构是在虚拟文件系统层和块层之间的一个接口。

当执行写的时候，虚拟文件系统层试图写入由块缓冲区构成的页缓存，将连续的块放置在一起构成bio结构，然后将其发送到块层。

块层处理bio请求，并链接这些请求进入一个被称为I/O请求的队列。这个链接的操作被称为 I/O电梯调度(I/O elevator)。问个问题：为啥叫电梯调度呢？

Linux 2.4内核使用的是一种单一的通用I/O电梯调度方法，2.6内核提供4种电梯调度算法供用户自己选择。因为Linux操作系统适用的场合很广泛，所以I/O设备和工作负载特性都会有明显的变化。

1）CFQ(Complete Fair Queuing，完全公平队列)

CFQ电梯调度为每个进程维护一个I/O队列，从而 对进程实现一个QoS(服务质量)策略 。CFQ电梯调度能够很好地适应存在很多竞争进程的大型多用户系统。它积极地避免进程饿死并具有低延迟特征。从2.6.18内核发行版开始，CFQ电梯调度成为默认I/O调度器。

CFQ为每个进程/线程单独创建一个队列来管理产生的请求，各队列之间用时间片来调度，以保证每个进程都能分配到合适的I/O带宽。I/O调度器每次执行一个进程的4个请求。

2）Deadline

Deadline是一种循环的电梯调度(round  robin)方法，Deadline 算法实现了一个近似于实时的I/O子系统。在保持良好的磁盘吞吐量的同时，Deadline电梯调度既提供了出色的块设备扇区的顺序访问，又确保一个进程不会在队列中等待太久导致饿死。

Deadline调度器为了兼顾这两个方面，引入了4个队列，这4个队列可分为两类，每一类都由读和写两种队列组成。一类队列用来对 请求 按 起始扇区序号 进行排序（通过红黑树来组织），称为sort_list；另一类对 请求 按 生成时间进行排序 （由链表来组织），称为fifo_list。每当确定了一个传输方向（读或写），系统都将会从相应的sort_list中将一批连续请求调度到请求队列里，具体的数目由fifo_batch来确定。 只有遇到三种情况才会导致一次批量传输的结束 ：1.对应的sort_list中已经没有请求了；2.下一个请求的扇区不满足递增的要求；3.上一个请求已经是批量传输的最后一个请求了。

所有的请求在生成时都会被赋上一个期限值，并且按期限值将它们排序在fifo_list中， 读请求的期限时长默认为500ms，写请求的期限时长默认为5s。 在Deadline调度器定义了一个writes_starved默认值为2，写请求的饥饿线。 内核总是优先处理读请求，当饿死进程的次数超过了writes_starved后，才会去考虑写请求 。 为什么内核会偏袒读请求呢? 这是从整体性能上进行考虑的。读请求和应用程序的关系是同步的，因为应用程序要等待读取完毕，方能进行下一步工作所以读请求会阻塞进程，而写请求则不一样。应用程序发出写请求后，内存的内容何时被写入块设备对程序的影响并不大，所以调度器会优先处理读请求。

3) NOOP

一个简单的FIFO 队列，不执行任何数据排序。NOOP 算法简单地合并相邻的数据请求，所以增加了少量的到磁盘I/O的处理器开销。NOOP电梯调度假设一个块设备拥有它自己的电梯算法。当后台存储设备能重新排序和合并请求，并能更好地了解真实的磁盘布局时，通常选择NOOP调度，

4）Anticipatory

Anticipatory本质上与Deadline一样，但Anticipatory电梯调度在处理最后一个请求之后会等待一段很短的时间，约6ms(可调整antic_expire改变该值)，如果在此期间产生了新的I/O请求，它会在每个6ms中插入新的I/O操作，这样可以将一些小的I/O请求合并成一个大的I/O请求，从而用I/O延时换取最大的I/O吞吐量。

Linux内核使用设备驱动程序得到设备的控制权。 设备驱动程序 通常是一个独立的内核模块，通常针对每个设备(或是设备组)而提供，以便这些设备在Linux操作系统上可用。一旦加载了设备驱动程序，将被当作Linux内核的一部分运行，并能控制设备的运行。

SCSI (Small Computer System Interface，小型计算机系统接口)是最常使用的I/O设备技术，尤其在企业级服务器环境中。SCSI在 Linux 内核中实现，可通过设备驱动模块来控制SCSI设备。 SCSI包括以下模块类型 ：

1) Upper IeveI drivers(上层驱动程序)。 sd_mod、sr_mod（SCSI-CDROM）、st（SCSI Tape）和sq（SCSI通用设备）等。

2) MiddIe IeveI driver(中层驱动程序) 。如scsi_mod实现了 SCSI 协议和通用SCSI功能。

3) Low IeveI drivers(底层驱动程序) 。提供对每个设备的较低级别访问。底层驱动程序基本上是特定于某一个硬件设备的，可提供给某个设备。

4) Pseudo drive(伪驱动程序) 。如ide-scsi，用于 IDE-SCSI仿真。

通常一个较大的性能影响是文件系统元数据怎样在磁盘上存放 。引入 磁盘条带阵列 (RAID 0、RAID 5和RAID 6)解决这个问题。在一个条带阵列上，磁头在移动到阵列中下一个磁盘之前，单个磁盘上写入的数据称为 CHUNKSIZE ，所有磁盘使用一次它后返回到第一个磁盘。 如果文件系统的布局没有匹配RAID的设计，则有可能会发生一个文件系统元数据块被分散到2个磁盘上，导致对2个磁盘发起请求 。或者 将所有的元数据在一个单独的磁盘上存储，如果该磁盘发生故障则可能导致该磁盘变成热点 。

设计RAID阵列需要考虑以下内容：

1) 文件系统使用的块大小。

2) RAID 阵列使用的CHUNK大小。

3) RAID 阵列中同等磁盘的数量。

块大小 指可以读取/写入到驱动器的最小数据量，对服务器的性能有直接的影响。块的大小由文件系统决定，在联机状态下不能更改，只有重新格式化才能修改。可以使用的块大小有1024B、2048B、4096B，默认为 4096 B。

stride条带 是在一个chunk中文件系统块的数量。如果文件系统块大小为4KB，则chunk大小为64KB，那么stride是64KB/4KB=16块。

stripe-width 是RAID阵列上一个条带中文件系统块的数量。比如 一个3块磁盘的RAID5阵列 。按照定义，在RAID5阵列每个条带中有1个磁盘包含奇偶校验内容。想要得到stripe-width，首先需要知道每个条带中有多少磁盘实际携带了数据块，即3磁盘-1校验磁盘=2数据磁盘。2个磁盘中的stride是chunk中文件系统块的数量。因此能计算 2（磁盘）*16（stride）=32（stripe）。

创建文件系统时可以使用mkfs给定数量：mk2fs -t ext4 -b 4096 -E stripe=16,stripe_width=64 /dev/vda

Linux - 磁盘I/O性能评估

文章目录

• 概述
• • RAID
  • 文件系统与裸设备的对比
• 磁盘I/O性能评判标准
• 常用命令
• • “sar –d”命令组合
  • “iostat –d”命令组合
  • • “iostat –x”单独统计某个磁盘的I/O
  • “vmstat –d”命令组合
• 小结

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概述

RAID

可以根据应用的不同，选择不同的RAID方式

• 如果一个应用经常有大量的读操作，可以选择以RAID5方式构建磁盘阵列存储数据；
• 如果应用有大量频繁的写操作，可以选择RAID0存取方式；
• 如果应用对数据安全要求很高，同时对读写也有要求，可以考虑RAID01存取方式；

Linux-Raid0、Raid1、Raid5、Raid10初探

• 尽可能用内存的读写代替直接磁盘I/O，使频繁访问的文件或数据放入内存中进行操作处理，因为内存读写操作比直接磁盘读写的效率要高千倍。
• 将经常进行读写的文件与长期不变的文件独立出来，分别放置到不同的磁盘设备上。
• 对于写操作频繁的数据，可以考虑使用裸设备代替文件系统。

文件系统与裸设备的对比

使用裸设备的优点:
- 数据可以直接读写，不需要经过操作系统级的缓存，节省了内存资源，避免了内存资源争用。
- 避免了文件系统级的维护开销，比如文件系统需要维护超级块、inode等。
- 避免了操作系统的缓存预读功能，减少了I/O请求。

使用裸设备的缺点:
- 数据管理、空间管理不灵活，需要很专业的人来操作。
其实裸设备的优点就是文件系统的缺点，反之也是如此。合理的规划和衡量，根据应用的需求，做出对应的策略。

裸设备 raw device

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磁盘I/O性能评判标准

正常情况下，svctm应该是小于await值的，而svctm的大小和磁盘性能有关，CPU、内存的负荷也会对svctm值造成影响，过多的请求也会间接导致svctm值的增加。

await值的大小一般取决于svctm的值和I/O队列长度以及I/O请求模式。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，此时可以通过更换更快的硬盘来解决问题。

%util项的值也是衡量磁盘I/O的一个重要指标。如果%util接近100%，表示磁盘产生的I/O请求太多，I/O系统已经满负荷地在工作，该磁盘可能存在瓶颈。长期下去，势必影响系统的性能，可以通过优化程序或者通过更换更高、更快的磁盘来解决此问题。

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常用命令

“sar –d”命令组合

通过“sar –d”命令组合，可以对系统的磁盘I/O做一个基本的统计

[root@VM-24-3-centos ~]# sar -d 2 3
Linux 3.10.0-1160.11.1.el7.x86_64 (VM-24-3-centos)      03/06/2023      _x86_64_        (2 CPU)

08:56:57 AM       DEV       tps  rd_sec/s  wr_sec/s  avgrq-sz  avgqu-sz     await     svctm     %util
08:56:59 AM  dev253-0      1.50      0.00     12.00      8.00      0.00      1.00      0.33      0.05
08:56:59 AM   dev11-0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00

08:56:59 AM       DEV       tps  rd_sec/s  wr_sec/s  avgrq-sz  avgqu-sz     await     svctm     %util
08:57:01 AM  dev253-0     54.00      0.00    640.00     11.85      0.20      3.84      0.18      0.95
08:57:01 AM   dev11-0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00

08:57:01 AM       DEV       tps  rd_sec/s  wr_sec/s  avgrq-sz  avgqu-sz     await     svctm     %util
08:57:03 AM  dev253-0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
08:57:03 AM   dev11-0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00

Average:          DEV       tps  rd_sec/s  wr_sec/s  avgrq-sz  avgqu-sz     await     svctm     %util
Average:     dev253-0     18.50      0.00    217.33     11.75      0.07      3.77      0.18      0.33
Average:      dev11-0      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00
[root@VM-24-3-centos ~]#

• DEV表示磁盘设备名称。
• tps表示每秒到物理磁盘的传送数，也就是每秒的I/O流量。一个传送就是一个I/O请求，多个逻辑请求可以合并为一个物理I/O请求。
• rd_sec/s表示每秒从设备读取的扇区数（1扇区=512字节）。
• wr_sec/s表示每秒写入设备的扇区数目。
• avgrq-sz表示平均每次设备I/O操作的数据大小（以扇区为单位）。
• avgqu-sz表示平均I/O队列长度。
• await表示平均每次设备I/O操作的等待时间（以毫秒为单位）。
• svctm表示平均每次设备I/O操作的服务时间（以毫秒为单位）。
• %util表示一秒中有百分之几的时间用于I/O操作。

Linux中I/O请求系统与现实生活中超市购物排队系统有很多类似的地方，通过对超市购物排队系统的理解，可以很快掌握Linux中I/O运行机制。比如：

• avgrq-sz类似于超市排队中每人所买东西的多少。
• avgqu-sz类似于超市排队中单位时间内平均排队的人数。
• await类似于超市排队中每人的等待时间。
• svctm类似于超市排队中收银员的收款速度。
• %util类似于超市收银台前有人排队的时间比例。

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“iostat –d”命令组合

[root@VM-24-3-centos ~]#  iostat -d 2 3
Linux 3.10.0-1160.11.1.el7.x86_64 (VM-24-3-centos)      03/06/2023      _x86_64_        (2 CPU)

Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn
vda               3.91         1.06        29.56   21828907  611223560
scd0              0.00         0.00         0.00        316          0

Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn
vda               0.00         0.00         0.00          0          0
scd0              0.00         0.00         0.00          0          0

Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn
vda               0.50         0.00         4.00          0          8
scd0              0.00         0.00         0.00          0          0

[root@VM-24-3-centos ~]#

• tps：该设备每秒的传输次数（Indicate the number of transfers per second that were issued to the device.）。“一次传输"意思是"一次I/O请求”。多个逻辑请求可能会被合并为"一次I/O请求"。"一次传输"请求的大小是未知的。
• kB_read/s：每秒从设备（drive expressed）读取的数据量；
• kB_wrtn/s：每秒向设备（drive expressed）写入的数据量；
• kB_read：读取的总数据量；
• kB_wrtn：写入的总数量数据量；这些单位都为Kilobytes。

这里需要注意的一点是，上面输出上的第一项是系统从启动以来到统计时的所有传输信息，第二次输出的数据才代表在检测的时间段内系统的传输值。

“iostat –x”单独统计某个磁盘的I/O

“iostat –x”命令组合还提供了对每个磁盘的单独统计，如果不指定磁盘，默认对所有磁盘进行统计

• rrqm/s表示每秒进行合并的读操作数目。
• wrqm/s表示每秒进行合并的写操作数目。
• r/s表示每秒完成读I/O设备的次数。
• w/s表示每秒完成写I/O设备的次数。
• rsec/s表示每秒读取的扇区数。
• wsec/s表示每秒写入的扇区数。

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“vmstat –d”命令组合

通过“vmstat –d”命令组合也可以查看磁盘的统计数据。

[root@VM-24-3-centos ~]# vmstat -d 3 2
disk- ------------reads------------ ------------writes----------- -----IO------
       total merged sectors      ms  total merged sectors      ms    cur    sec
vda   591170   3530 43657830 4460432 80215339 54988709 1222778513 249512681      0  25485
sr0       89      0     632      22      0      0       0       0      0      0
vda   591170   3530 43657830 4460432 80215379 54988754 1222779225 249512735      0  25485
sr0       89      0     632      22      0      0       0       0      0      0
[root@VM-24-3-centos ~]#

显示了磁盘的reads、writes和IO的使用状况。

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小结

衡量磁盘I/O好坏是多方面的，有应用程序本身的，也有硬件设计上的，还有系统自身配置的问题等。要解决I/O的瓶颈，关键是要提高I/O子系统的执行效率。

• 首要，要从应用程序上对磁盘读写进行优化，能够放到内存中执行的操作，尽量不要放到磁盘上。
• 其次，对磁盘存储方式进行合理规划，选择适合自己的RAID存取方式。
• 最后，在系统级别上，可以选择适合自身应用的文件系统，必要时使用裸设备提高读写性能。