深入浅出计算机组成原理学习笔记：第四十四讲

在专栏一开始的时候，我和你说过，在计算机组成原理这门课里面，很多设计的核心思路，都来源于性能。在前免讲解CPU的时候，相信你已经有了切身的感受了。

大部分程序员开发的都是应⽤系统。在开发应用系统的时候，我们遇到的性能瓶颈大部分都在I/O上。在第36讲讲解局部性原理的时候，我们一起看了通过把内存当作是缓存，
来提升系统的整体性能。在第37讲讲解CPU Cache的时候，我们一起看了CPU Cache和主内存之间性能的巨大差异

然而，我们知道，并不是所有问题都能靠利⽤内存或者CPU Cache做一层缓存来解决。特别是在这个“大数据”的时代。我们在硬盘上存储了越来越多的数据，
一个MySQL数据库的单表有个几千万条记录，早已经不算是什么罕见现象了。这也就意味着，用内存当缓存，存储空间是不够用的。大部分时间，
我们的请求还是要打到硬盘上。那么，这⼀讲我们就来看看硬盘I/O性能的事儿。

一、随机IO

1、硬盘厂商

2、数据传输率

HDD硬盘

SSD硬盘

3、响应时间

Acc.Time

指标和日常的经验不符啊

光看响应时间和吞吐率这两个指标，似乎我们的硬盘性能很不错、我们平时往数据库里写入一条记录，也就是1KB左右的大小。我们拿200MB去除以1KB，

也能够在几毫秒时间返回、一秒钟能够传输的数据，也有200MB左右

顺序读写和随机读写

随机读写

顺序读写

二、OPS和DTR才是输入输出性能的核心指标

实际开发中对数据的访问

服务器承受的“并发”

三、性能瓶颈在

硬盘性能

CPU性能

和我们硬盘能够进⾏的操作数，也有好一个数量级的差异，因为很多时候，CPU指令发出去之后，不得不去“等”我们的I/O操作完成，才能进入下一步的操作

四、如何定位IO_WAIT？

那么，在实际遇到服务端程序的性能问题的时候，我们怎么知道这个问题是不是来自于CPU等I/O来完成操作呢？别着急，我们接下来，
就通过top和iostat这些命令，一起来看看CPU到底有没有在等待io操作。

1、top

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top - 06:26:30 up 4 days, 53 min,  1 user,  load average: 0.79, 0.69, 0.65 Tasks: 204 total,   1 running, 203 sleeping,   0 stopped,   0 zombie %Cpu(s): 20.0 us,  1.7 sy,  0.0 ni, 77.7 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.7 si,  0.0 st KiB Mem:   7679792 total,  6646248 used,  1033544 free,   251688 buffers KiB Swap:        0 total,        0 used,        0 free.  4115536 cached Mem

2、iowat

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avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle           17.02    0.01    2.18    0.04    0.00   80.76 Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn sda               1.81         2.02        30.87     706768   10777408

你会看到，这个命令⾥，不仅有iowait这个CPU等待时间的百分⽐，还有⼀些更加具体的指标了，并且它还是按照你机器上安装的多块不同的硬盘划分的。

这⾥的tps指标，其实就对应着我们上⾯所说的硬盘的IOPS性能。⽽kB_read/s和kB_wrtn/s指标，就对应着我们的数据传输率的指标。

知道实际硬盘读写的tps、kB_read/s和kb_wrtn/s的指标，我们基本上可以判断出，机器的性能是不是卡在I/O上了。那么，接下来，
我们就是要找出到底是哪一个进程是这些I/O读写的来源了。这个时候，你需要“iotop”这个命令。

3、iotop

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iotop Total DISK READ :       0.00 B/s | Total DISK WRITE :      15.75 K/s Actual DISK READ:       0.00 B/s | Actual DISK WRITE:      35.44 K/s   TID  PRIO  USER     DISK READ  DISK WRITE  SWAPIN     IO>    COMMAND                                               104 be/3 root        0.00 B/s    7.88 K/s  0.00 %  0.18 % [jbd2/sda1-8]   383 be/4 root        0.00 B/s    3.94 K/s  0.00 %  0.00 % rsyslogd -n [rs:main Q:Reg]  1514 be/4 www-data    0.00 B/s    3.94 K/s  0.00 %  0.00 % nginx: worker process

通过iotop这个命令，你可以看到具体是哪⼀个进程实际占⽤了⼤量I/O，那么你就可以有的放⽮，去优化对应的程序了。

上面的这些示例里，不管是wa也好，tps也好，它们都很小。那么，接下来，我就给你用Linux下，用stress命令，来模拟一个高I/O复杂的情况，来看看这个时候的iowait是怎么样的。

4、完整案例

我在一台云平台上的单个CPU核⼼的机器上输⼊“stress-i2”，让stress这个程序模拟两个进程不停地从内存里往硬盘上写数据。

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1	stress -i 2

top查看负载和wa

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top top - 06:56:02 up 3 days, 19:34,  2 users,  load average: 5.99, 1.82, 0.63 Tasks:  88 total,   3 running,  85 sleeping,   0 stopped,   0 zombie %Cpu(s):  3.0 us, 29.9 sy,  0.0 ni,  0.0 id, 67.2 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st KiB Mem :  1741304 total,  1004404 free,   307152 used,   429748 buff/cache KiB Swap:        0 total,        0 free,        0 used.  1245700 avail Mem

iowat查看iops

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iostat 2 5 avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle            5.03    0.00   67.92   27.04    0.00    0.00 Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn sda           39762.26         0.00         0.00          0          0

如果我们通过iostat，查看硬盘的I/O，你会看到，里面的tps很快就到了4万左右，占满了对应硬盘的IOPS。

iotop查看io占用排行榜

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iotop Total DISK READ :       0.00 B/s | Total DISK WRITE :       0.00 B/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                                             29161 be/4 xuwenhao    0.00 B/s    0.00 B/s  0.00 % 56.71 % stress -i 2 29162 be/4 xuwenhao    0.00 B/s    0.00 B/s  0.00 % 46.89 % stress -i 2     1 be/4 root        0.00 B/s    0.00 B/s  0.00 %  0.00 % init

相信到了这里，你也应该学会了怎么通过top、iostat以及iotop，一步一步快速定位服务器端的I/O带来的性能瓶颈了。
你也可以自己通过Linux的man命令，看一看这些命令还有哪些参数，以及通过stress来模拟其他更多不同的性能压力，看看我们的机器负载会发生什么变化。

五、总结延伸　

这一讲里，我们从硬盘的两个核心指标，响应时间和数据传输率，来理解和研究I/O的性能问题。你也自己可以通过as ssd这样的性能评测软件，看一看自己的硬盘性能。

在顺序读取的情况下，无论是HDD硬盘还是SSD硬盘，性能看起来都是很不错的。不过，等到进行随机读取测试的时候，硬盘的性能才能见了真章。因为在大部分的应用开发场景下，
我们关注的并不是在顺序读写下的数据量，而是每秒钟能够进行输入输出的操作次数，也就是IOPS这个核心性能指标。

你会发现，即使是使PCI Express接口的SSD硬盘，IOPS也就只是到了2万左右。这个性能，和我们CPU的每秒20亿次操作的能⼒⽐起来，可就差得远了。
所以很多时候，我们的程序对外响应慢，其实都是CPU在等待I/O操作完成。

在Linux下，我们可以通过top这样的命令，来看整个服务器的整体负载。在应⽤响应慢的时候，我们可以先通过这个指令，来看CPU是否在等待I/O完成⾃⼰的操作。
进一步地，我们可以通过iostat这个命令，来看到各个硬盘这个时候的读写情况。⽽iotop这个命令，能够帮助我们定位到到底是哪⼀个进程在进行大量的I/O操作。

 

这些命令的组合，可以快速帮你定位到是不是我们的程序遇到了I/O的瓶颈，以及这些瓶颈来自于哪些程序，你就可以根据定位的结果来优化你自己的程序了。