[转帖]《Linux性能优化实战》笔记（十五）—— 磁盘IO的工作原理

前一篇介绍了文件系统的工作原理，这一篇来看看磁盘IO的工作原理

一、 磁盘

1. 按存储介质分类

磁盘是可以持久化存储的设备，根据存储介质的不同，常见磁盘可以分为两类：机械磁盘和固态磁盘。

机械磁盘，也称为硬盘驱动器（Hard Disk Driver，HDD），主要由盘片和读写磁头组成，数据存储在盘片的环状磁道中。在读写数据前，需要移动读写磁头，定位到数据所在的磁道，才能访问数据。显然，如果 I/O 请求刚好连续，就不需要磁道寻址，自然可以获得最佳性能。这其实就是我们熟悉的连续 I/O 的工作原理。与之相对应的是随机 I/O，它需要不停地移动磁头，来定位数据位置，所以读写速度就会比较慢。

固态磁盘（Solid State Disk，SSD），由固态电子元器件组成，不需要磁道寻址。所以，不管是连续 I/O 还是随机 I/O 的性能，都比机械磁盘要好得多。不过，SSD存在“先擦除再写入”的限制。随机读写会导致大量的垃圾回收，所以随机 I/O 的性能比起连续 I/O 来，也还是差了很多。

此外，连续 I/O 还可以通过预读的方式，来减少 I/O 请求的次数，这也是其性能优异的一个原因。很多性能优化的方案，也都会从这个角度出发，来优化 I/O 性能。

 

2. 按接口分类

按照接口来分类，比如可以把硬盘分为 IDE（Integrated Drive Electronics）、SCSI（Small Computer System
Interface） 、SAS（Serial Attached SCSI） 、SATA（Serial ATA） 、FC（Fibre Channel） 等。

不同的接口，往往分配不同的设备名称。比如：IDE 设备会分配一个 hd 前缀的设备名，SCSI 和 SATA 设备会分配一个 sd 前缀的设备名。如果是多块同类型的磁盘，就会按照a、b、c 等的字母顺序来编号。

 

3. 按使用方式分类

除了磁盘本身的分类外，当你把磁盘接入服务器后，按照不同的使用方式，又可以把它们划分为多种不同的架构。

• 直接作为独立磁盘设备来使用。这些磁盘往往还会根据需要，划分为不同的逻辑分区，每个分区再用数字编号。比如 /dev/sda ，还可以分成两个分区 /dev/sda1 和 /dev/sda2。
• 多块磁盘组合成一个逻辑磁盘，构成 RAID，从而提高数据访问的性能，增强数据存储的可靠性。
• 把磁盘组合成一个网络存储集群，再通过 NFS、SMB、iSCSI 等网络存储协议，暴露给服务器使用。

在 Linux 中，磁盘实际上是作为一个块设备来管理的，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；次设备号则是用来给多个同类设备编号。

 

二、 通用块层

1. 简介与功能

跟 VFS 类似，为了减小不同块设备的差异带来的影响，Linux 通过一个统一的通用块层，来管理各种不同的块设备。
通用块层，其实是处在文件系统和磁盘驱动中间的一个块设备抽象层。它主要有两个功能：

• 第一个功能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。
• 第二个功能，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。

2. I/O 调度算法

其中第二种功能，对 I/O 请求排序的过程，也就是我们熟悉的 I/O 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：确切来说，并不能算 I/O 调度算法，因为它完全不使用任何 I/O 调度器，对文件系统和应用程序的 I/O 不做任何处理，常用在虚拟机中（此时磁盘 I/O 调度完全由物理机负责）。
• NOOP ：最简单的 I/O 调度算法。它实际上是一个先入先出的队列，只做一些最基本的请求合并，常用于 SSD 磁盘。
• CFQ（Completely Fair Scheduler），完全公平调度器，是现在很多发行版的默认 I/O 调度器，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。类似于进程 CPU 调度，CFQ 还支持进程 I/O 的优先级调度，所以它适用于运行大量进程的系统，像是桌面环境、多媒体应用等。
• 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。

 

三、 I/O 栈

清楚了磁盘和通用块层的工作原理，再结合上一期的文件系统原理，我们就可以整体来看 Linux 存储系统的 I/O 原理了。

我们可以把 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。这三个 I/O 层的关系如下图所示，这其实也是 Linux 存储系统的 I/O 栈全景图

根据这张 I/O 栈的全景图，我们可以更清楚地理解，存储系统 I/O 的工作原理。

• 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

存储系统的 I/O ，通常是整个系统中最慢的一环。所以， Linux 通过多种缓存机制来优化I/O 效率。比方说，为了优化文件访问的性能，会使用页缓存、索引节点缓存、目录项缓存等多种缓存机制，以减少对下层块设备的直接调用。同样，为了优化块设备的访问效率，会使用缓冲区，来缓存块设备的数据。

 

四、 磁盘性能指标

1. 衡量指标

衡量磁盘性能的五个常见指标：使用率、饱和度、IOPS、吞吐量以及响应时间。

• 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，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。

这里要注意的是，使用率只考虑有没有 I/O，而不考虑 I/O 的大小。换句话说，当使用率是100% 的时候，磁盘依然有可能接受新的 I/O 请求。

不要孤立地去比较某一指标，而要结合读写比例、I/O 类型（随机还是连续）以及I/O 的大小，综合来分析。举个例子，在数据库、大量小文件等这类随机读写比较多的场景中，IOPS 更能反映系统的整体性能；而在多媒体等顺序读写较多的场景中，吞吐量才更能反映系统的整体性能。

 

2. 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，这些指标实际上来自 /proc/diskstats。

# -d -x表示显示所有磁盘I/O的指标

 


$ 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

• %util ，就是我们前面提到的磁盘 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。
• 在观测指标时，也别忘了结合请求的大小（ rareq-sz 和 wareq-sz）一起分析。

iostat 只提供磁盘整体的 I/O 性能数据，缺点在于，并不能知道具体是哪些进程在进行磁盘读写。

要观察进程的 I/O 情况，你还可以使用 pidstat 和 iotop 这两个工具。

• 用户 ID（UID）和进程 ID（PID） 。
• 每秒读取的数据大小（kB_rd/s） ，单位是 KB。
• 每秒发出的写请求数据大小（kB_wr/s） ，单位是 KB。
• 每秒取消的写请求数据大小（kB_ccwr/s） ，单位是 KB。
• 块 I/O 延迟（iodelay），包括等待同步块 I/O 和换入块 I/O 结束的时间，单位是时钟周期。

iotop类似于 top，根据 I/O 大小对进程排序，方便找到 I/O 较大的进程。

$ 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

前两行：进程的磁盘读写大小总数和磁盘真实的读写大小总数。因为缓存、缓冲区、I/O合并等的影响，它们可能并不相等。

剩下的部分，包括线程 ID、I/O 优先级、每秒读磁盘的大小、每秒写磁盘的大小、换入和等待 I/O 的时钟百分比等。