磁盘 I/O 性能监控指标和调优方法

Posted 2020-07-28 jimson

在介绍磁盘 I/O 监控命令前，我们需要了解磁盘 I/O 性能监控的指标，以及每个指标的所揭示的磁盘某方面的性能。磁盘 I/O 性能监控的指标主要包括：
指标 1：每秒 I/O 数（IOPS 或 tps）
对于磁盘来说，一次磁盘的连续读或者连续写称为一次磁盘 I/O, 磁盘的 IOPS 就是每秒磁盘连续读次数和连续写次数之和。当传输小块不连续数据时，该指标有重要参考意义。
指标 2：吞吐量（Throughput）
指硬盘传输数据流的速度，传输数据为读出数据和写入数据的和。其单位一般为 Kbps, MB/s 等。当传输大块不连续数据的数据，该指标有重要参考作用。
指标 3：平均 I/O 数据尺寸
平均 I/O 数据尺寸为吞吐量除以 I/O 数目，该指标对揭示磁盘使用模式有重要意义。一般来说，如果平均 I/O 数据尺寸小于 32K，可认为磁盘使用模式以随机存取为主；如果平均每次 I/O 数据尺寸大于 32K，可认为磁盘使用模式以顺序存取为主。
指标 4：磁盘活动时间百分比（Utilization）
磁盘处于活动时间的百分比，即磁盘利用率，磁盘在数据传输和处理命令（如寻道）时处于活动状态。磁盘利用率与资源争用程度成正比，与性能成反比。也就是说磁盘利用率越高，资源争用就越严重，性能也就越差，响应时间就越长。一般来说，如果磁盘利用率超过 70%，应用进程将花费较长的时间等待 I/O完成，因为绝大多数进程在等待过程中将被阻塞或休眠。
指标 5：服务时间（Service Time）
指磁盘读或写操作执行的时间，包括寻道，旋转时延，和数据传输等时间。其大小一般和磁盘性能有关，CPU/ 内存的负荷也会对其有影响，请求过多也会间接导致服务时间的增加。如果该值持续超过 20ms，一般可考虑会对上层应用产生影响。
指标 6：I/O 等待队列长度（Queue Length）
指待处理的 I/O 请求的数目，如果 I/O 请求压力持续超出磁盘处理能力，该值将增加。如果单块磁盘的队列长度持续超过 2，一般认为该磁盘存在I/O性能问题。需要注意的是，如果该磁盘为磁盘阵列虚拟的逻辑驱动器，需要再将该值除以组成这个逻辑驱动器的实际物理磁盘数目，以获得平均单块硬盘的I/O 等待队列长度。
指标 7：等待时间（Wait Time）
指磁盘读或写操作等待执行的时间，即在队列中排队的时间。如果 I/O 请求持续超出磁盘处理能力，意味着来不及处理的 I/O 请求不得不在队列中等待较长时间。

通过监控以上指标，并将这些指标数值与历史数据，经验数据以及磁盘标 称值对比，必要时结合 CPU、内存、交换分区的使用状况，不难发现磁盘 I/O潜在或已经出现的问题。但如何避免和解决这些问题呢？这就需要利用到磁盘 I/O性能优化方面的知识和技术。限于本文主题和篇幅，仅列出一些常用的优化方法供读者参考：

1.调整数据布局，尽量将 I/O 请求较合理的分配到所有物理磁盘中。
2.对于 RAID 磁盘阵列，尽量使应用程序 I/O 等于条带尺寸或者为条带尺寸的倍数。并选取合适的 RAID 方式，如 RAID10，RAID5。
3.增大磁盘驱动程序的队列深度，但不要超过磁盘的处理能力，否则，部分 I/O 请求会因为丢失而重新发出，这将降低性能。
4.应用缓存技术减少应用存取磁盘的次数，缓存技术可应用在文件系统级别或者应用程序级别。
5.由于多数数据库中已包括经优化后的缓存技术，数据库 I/O 宜直接存取原始磁盘分区（raw partition）或者利用绕过文件系统缓存的 DIO 技术（direct IO）
6.利用内存读写带宽远比直接磁盘 I/O 操作性能优越的特点，将频繁访问的文件或数据置于内存中。