性能分析（7）- 未利用系统缓存导致 I/O 缓慢案例
性能分析小案例系列，可以通过下面链接查看哦
https://www.cnblogs.com/poloyy/category/1814570.html
前提
前面有学到 Buffer 和 Cache 的概念：https://www.cnblogs.com/poloyy/p/13503848.html
我们来简单复习下
Buffer 和 Cache 的设计目的
为了提升系统的 I/O 性能，它们利用内存，充当起慢速磁盘和快速 CPU 之间的桥梁，可以加速 I/O 的访问速度
Buffer 和 Cache
- BUffer：对磁盘的读写数据缓存
- Cache：对文件系统的读写数据缓存
读写角度
- 从写的角度来说，不仅可以优化磁盘和文件的写入，对应用程序也有好处，应用程序可以在数据真正落盘前，就返回去做其他工作
- 从读的角度来说，不仅可以提高那些频繁访问数据的读取速度，也可以降低频繁 I/O 对磁盘的压力
引入主题
既然 Buffer 和 Cache 对系统性能有很大影响，那我们在软件开发的过程中，能不能利用这 一点，来优化 I/O 性能，提升应用程序的运行效率呢？ 答案自然是肯定的
缓存命中率
灵魂拷问
我们想利用缓存来提升程序的运行效率，应该怎么评估这个效果呢？换句话说，有没有哪个指标可以衡量缓存使用的好坏呢？
灵魂回答
- 缓存命中率
- 指直接通过缓存获取数据的请求次数，占所有数据请求次数的百分比【使用缓存请求次数 / 总请求次数】
- 命中率越高，表示使用缓存带来的收益越高，应用程序的性能也就越好
缓存的重要性
- 缓存是现在所有高并发系统必需的核心模块
- 主要作用：把经常访问的数据（热点数据），提前读入到内存中，下次访问时就可以直接从内存读取数据，而不需要经过硬盘，从而加快应用程序的响应速度
cachestat、cachetop
独立的缓存模块通常会提供查询接口，方便我们随时查看缓存的命中情况
不过 Linux 系统中并没有直接提供这些接口，所以这里要介绍一下，cachestat 和 cachetop ，它们正是查看系统缓存命中情况的工具
- cachestat 提供了整个操作系统缓存的读写命中情况
- cachetop 提供了每个进程的缓存命中情况
Ubuntu 安装工具
sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-keys 4052245BD4284CDD echo "deb https://repo.iovisor.org/apt/xenial xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/iovisor.list sudo apt-get update sudo apt-get install -y bcc-tools libbcc-examples linux-headers-$(uname -r)
配置环境变量
vim /etc/profile # 在文件结尾处添加 export PATH=$PATH:/usr/share/bcc/tools # 保存文件后 source /etc/profile
cachestat
# 它以 1 秒的时间间隔，输出了 3 组缓存统计数据 cachestat 1 3
字段说明
cachetop
cachetop
- 默认按照缓存的命中次数（HITS）排序，展示了每个进程的缓存命中情况
- 具体到每一个指标，这里的 HITS、MISSES 和 DIRTIES ，跟 cachestat 里的含义 一样，分别代表间隔时间内的缓存命中次数、未命中次数以及新增到缓存中的脏页数
- READ_HIT：读的缓存命中率
- WRITE_HIT：写的缓存命中率
查看文件的缓存大小
可以使用 pcstat 这个工具，来查看文件在内存中的缓存大小以及缓存比例
安装 pcstat
# 安装 go apt install golang-go vim /etc/profile # 在文件结尾处添加 export GOPATH=~/go export PATH=~/go/bin:$PATH # 保存文件后 source /etc/profile go get golang.org/x/sys/unix go get github.com/tobert/pcstat/pcstat
运行 pcstat
pcstat /bin/ls
Cached 就是 /bin/ls 在缓存中的大小，而 Percent 则是缓存的百分比，看到它们都是 0，这说明 /bin/ls 并不在缓存中
执行 ls 命令，再来查看
ls pcstat /bin/ls
发现都在缓存中了
讲案例前的准备
- 系统：Ubuntu 18.04，当然同样适用于其他的 Linux 系 统。
- 机器配置：2 CPU，2 GB 内存
- 预先按照上面的步骤安装 bcc 和 pcstat 软件包，并把这些工具的安装路径添加到到 PATH 环境变量中
- 预先安装 Docker 软件包： apt-get install docker.io
- 打开两个终端同时连到 Linux 上
案例一：通过 dd 写入读取文件
注意：没说第几个终端都是默认第一个终端执行命令哦
dd 命令生成一个临时文件
# 生成一个 512MB 的临时文件 dd if=/dev/sda1 of=file bs=1M count=512 # 清理缓存 echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
运行 pcstat 查看 file 文件
pcstat file
确认刚刚生成的文件不在缓存中。如果一切正常， 会看到 Cached 和 Percent 都是 0
运行 cachetop
# 每隔 1 秒刷新一次数据 cachetop 1
第二个终端运行 dd 命令
dd if=file of=/dev/null bs=1M
- 从 dd 的结果可以看出，这个文件的读性能是 639 MB/s
- 由于在 dd 命令运行前我们已经清理了缓存，所以 dd 命令读取数据时，肯定要通过文件系统从磁盘中读取
查看 cachetop
可以看到 dd 命令并不是所有的读都落到了磁盘上，读请求的缓存命中率只有 50%
第二个终端再次运行 dd 命令
dd if=file of=/dev/null bs=1M
磁盘的读性能蹭蹭蹭往上涨，去到了 1.6GB/s
再查看 cachetop
可以发现，这次读的缓存命中率是 100%
第二个终端运行 pcstat
pcstat file
测试文件已经被全部缓存起来了，和刚刚 cachetop 观察到缓存命中率 100% 是一致的
总结
这两次结果说明，系统缓存对第二次 dd 操作有明显的加速效果，可以大大提高文件读取的性能。
案例二
前提
- 这里运行了一个不可中断状态的进程
- 功能：是每秒从磁盘分区 /dev/sda1 中读取 32MB 的数据， 并打印出读取数据花费的时间
查看应用日志
从这里可以看到，每读取 32 MB 的数据，就需要花 0.9 秒
灵魂拷问
这个时间合理吗？这也太慢了吧，那这是不是没用系统缓存导致的呢？
查看 cachetop
结果分析
读的命中率虽然是 100%，命中次数是 1024，看起来全部的读请求都经过了系统缓存
灵魂又拷问了
全都是缓存 I/O，读取速度不应该这么慢
深入分析
- 另一个重要因素，每秒实际读取的数据大小，HITS 代表缓存的命中次数，那么每次命中能读取多少数据呢？自然是一页
- 内存以页为单位进行管理，而每个页的大小是 4KB
- 所以，在 5 秒的时间间隔 里，命中的缓存为 1024*4K/1024 = 4MB，再除以 5 秒，可以得到每秒读的缓存是 0.8MB，显然跟案例应用的 32 MB/s 相差太多
结果猜想
这个案例估计没有充分利用系统缓存，如果系统调用设置直接 I/O 的标志，就可以绕过系统缓存
通过 strace 观察系统调用
strace -p $(pgrep app)
结果分析
- 从 strace 的结果可以看到，案例应用调用了 openat 来打开磁盘分区 /dev/sdb1，并且传 入的参数为 O_RDONLY|O_DIRECT（中间的竖线表示或）
- O_RDONLY 表示以只读方式打开
- 而 O_DIRECT 则表示以直接读取的方式打开，这会绕过系统的缓存
- 验证了这一点，就很容易理解为什么读 32 MB 的数据就都要那么久了
- 直接从磁盘读写的速度，自然远慢于对缓存的读写，这也是缓存存在的最大意义了
查看应用源码
它果然用了直接 I/O
修改源代码
删除 O_DIRECT 选项，让应用程序使用缓存 I/O ，而不是直接 I/O，就可以加速磁盘读取速度
验证修复后的应用
查看新应用的日志
结果分析
现在，每次只需要 0.03 秒，就可以读取 32MB 数据，明显比之前的 0.9 秒快多了。所以，这次应该用了系统缓存
再次查看 cachetop
结果分析
- 果然，读的命中率还是 100%，HITS （即命中数）却变成了 40960
- 同样的方法计算一 下，换算成每秒字节数正好是 32 MB（即 40960*4k/5/1024=32M）
总结
- 在进行 I/O 操作时，充分利用系统缓存可以极大地提升性能。
- 但在观察缓存命中率时，还要注意结合应用程序实际的 I/O 大小，综合分析缓存的使用情况
扩展
为什么优化前，通过 cachetop 只能看到很少一部分数据的全部命中，而没有观察到大量数据的未命中情况呢？
回答
是因为，cachetop 工具并不把直接 I/O 算进来
