磁盘IO监控分析

基本概念

磁盘：为系统提供了最基本的持久化存储
文件系统：在磁盘的基础上，提供了一个用来管理文件的树状结构
索引节点和目录项：
- 索引节点，简称为 inode，用来记录文件的元数据，比如 inode 编号、文件大小、访问权限、修改日期、数据的位置等。索引节点和文件一一对应，它跟文件内容一样，都会被持久化存储到磁盘中。所以记住，索引节点同样占用磁盘空间。
- 目录项，简称为 dentry，用来记录文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的关联关系。多个关联的目录项，就构成了文件系统的目录结构。不过，不同于索引节点，目录项是由内核维护的一个内存数据结构，所以通常也被叫做目录项缓存。
- 注意点：
  - Linux 文件系统为每个文件都分配两个数据结构，索引节点（index node）和目录项（directory entry），它们主要用来记录文件的元信息和目录结构。
  - 目录项本身就是一个内存缓存，而索引节点则是存储在磁盘中的数据。
  - 为了协调慢速磁盘与快速 CPU 的性能差异，文件内容会缓存到页缓存 Cache 中，这些索引节点自然也会缓存到内存中，加速文件的访问。
逻辑块：磁盘读写的最小单位是扇区，然而扇区只有 512B 大小，如果每次都读写这么小的单位，效率一定很低。所以，文件系统又把连续的扇区组成了逻辑块，然后每次都以逻辑块为最小单元，来管理数据。常见的逻辑块大小为 4KB，也就是由连续的 8 个扇区组成。
存储区域：磁盘在执行文件系统格式化时，会被分成三个存储区域：
- 超级块，存储整个文件系统的状态
- 索引节点区，用来存储索引节点
- 数据块区，则用来存储文件数据

虚拟文件系统：
- 目录项、索引节点、逻辑块以及超级块，构成了 Linux 文件系统的四大基本要素。不过，为了支持各种不同的文件系统，Linux 内核在用户进程和文件系统的中间，又引入了一个抽象层，也就是虚拟文件系统 VFS（Virtual File System）；
- VFS 定义了一组所有文件系统都支持的数据结构和标准接口。这样，用户进程和内核中的其他子系统，只需要跟 VFS 提供的统一接口进行交互就可以了，而不需要再关心底层各种文件系统的实现细节；
- 支持的文件系统分类：
  - 第一类是基于磁盘的文件系统，也就是把数据直接存储在计算机本地挂载的磁盘中。常见的 Ext4、XFS、OverlayFS 等，都是这类文件系统。
  - 第二类是基于内存的文件系统，也就是我们常说的虚拟文件系统。这类文件系统，不需要任何磁盘分配存储空间，但会占用内存。我们经常用到的 /proc 文件系统，其实就是一种最常见的虚拟文件系统。此外，/sys 文件系统也属于这一类，主要向用户空间导出层次化的内核对象。
  - 第三类是网络文件系统，也就是用来访问其他计算机数据的文件系统，比如 NFS、SMB、iSCSI 等。
  - 注意：这些文件系统，要先挂载到 VFS 目录树中的某个子目录（称为挂载点），然后才能访问其中的文件

文件系统I/O：文件读写方式的各种差异，导致 I/O 的分类多种多样。最常见的有，缓冲与非缓冲 I/O、直接与非直接 I/O、阻塞与非阻塞 I/O、同步与异步 I/O 等。
- 第一种，根据是否利用标准库缓存，可以把文件 I/O 分为缓冲 I/O 与非缓冲 I/O。
  - 缓冲 I/O，是指利用标准库缓存来加速文件的访问，而标准库内部再通过系统调度访问文件。
  - 非缓冲 I/O，是指直接通过系统调用来访问文件，不再经过标准库缓存。
- 第二，根据是否利用操作系统的页缓存，可以把文件 I/O 分为直接 I/O 与非直接 I/O。
  - 直接 I/O，是指跳过操作系统的页缓存，直接跟文件系统交互来访问文件。
  - 非直接 I/O 正好相反，文件读写时，先要经过系统的页缓存，然后再由内核或额外的系统调用，真正写入磁盘。
- 第三，根据应用程序是否阻塞自身运行，可以把文件 I/O 分为阻塞 I/O 和非阻塞 I/O：
  - 阻塞 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，如果没有获得响应，就会阻塞当前线程，自然就不能执行其他任务。
  - 非阻塞 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，不会阻塞当前的线程，可以继续执行其他的任务，随后再通过轮询或者事件通知的形式，获取调用的结果。
- 第四，根据是否等待响应结果，可以把文件 I/O 分为同步和异步 I/O：
  - 同步 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，要一直等到整个 I/O 完成后，才能获得 I/O 响应。
  - 异步 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，不用等待完成和完成后的响应，而是继续执行就可以。等到这次 I/O 完成后，响应会用事件通知的方式，告诉应用程序。

磁盘

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：
- 第一类，机械磁盘，也称为硬盘驱动器（Hard Disk Driver），通常缩写为 HDD。机械磁盘主要由盘片和读写磁头组成，数据就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，然后才能访问数据。显然，如果 I/O 请求刚好连续，那就不需要磁道寻址，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，当然就是随机 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。
- 第二类，固态磁盘（Solid State Disk），通常缩写为 SSD，由固态电子元器件组成。固态磁盘不需要磁道寻址，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。
无论机械磁盘，还是固态磁盘，相同磁盘的随机 I/O 都要比连续 I/O 慢很多：
- 对机械磁盘来说，我们刚刚提到过的，由于随机 I/O 需要更多的磁头寻道和盘片旋转，它的性能自然要比连续 I/O 慢。
- 而对固态磁盘来说，虽然它的随机性能比机械硬盘好很多，但同样存在“先擦除再写入”的限制。随机读写会导致大量的垃圾回收，所以相对应的，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。
机械磁盘和固态磁盘还分别有一个最小的读写单位：
- 机械磁盘的最小读写单位是扇区，一般大小为 512 字节。
- 而固态磁盘的最小读写单位是页，通常大小是 4KB、8KB 等。
- 注意：
  - 如果每次都读写 512 字节这么小的单位的话，效率很低。所以，文件系统会把连续的扇区或页，组成逻辑块，然后以逻辑块作为最小单元来管理数据。常见的逻辑块的大小是 4KB，也就是说，连续 8 个扇区，或者单独的一个页，都可以组成一个逻辑块。
除了可以按照存储介质来分类，另一个常见的分类方法，是按照接口来分类：
- IDE（Integrated Drive Electronics）
- SCSI（Small Computer System Interface）
- SAS（Serial Attached SCSI）
- SATA（Serial ATA）
- FC（Fibre Channel）
- 注意：
  - 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。
常用磁盘架构-RAID：
- 把多块磁盘组合成一个逻辑磁盘，构成冗余独立磁盘阵列，也就是 RAID（Redundant Array of Independent Disks），从而可以提高数据访问的性能，并且增强数据存储的可靠性。
- RAID0 有最优的读写性能，但不提供数据冗余的功能。而其他级别的 RAID，在提供数据冗余的基础上，对读写性能也有一定程度的优化。

通用块层

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。
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，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，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。
对 I/O 请求排序的过程，也就是 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：
- 第一种 NONE ，更确切来说，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 其实不做任何处理，常用在虚拟机中（此时磁盘 I/O 调度完全由物理机负责）。
- 第二种 NOOP ，是最简单的一种 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。
- 第三种 CFQ（Completely Fair Scheduler），也被称为完全公平调度器，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。
- 第四种 DeadLine 调度算法，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。DeadLine 调度算法，多用在 I/O 压力比较重的场景，比如数据库等。

I/O 栈

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

衡量磁盘性能的五个基本指标：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（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。

性能监控

工具：df，/proc，vmstat，iostat
容量查看
- 总体磁盘信息

查看单独磁盘或分区

缓存查看
- free输出的cache等于Cached和Slab(SReclaimable)之和

磁盘I/O查看
- 输入参数：iostat -x -d 1 5
  - -x 显示扩展统计
  - -d 显示设备利用率报告，默认显示所有设备，可指定
- 输出参数：
  - %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。

进程 I/O 查看
- 输入参数：pidstat -d 1 5
  - -d：报告I / O统计信息
- 输出参数：
  - 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。