linux性能优化-磁盘I_O优化-编程知识

1.文件系统

1.1.文件系统的工作原理

文件系统是在磁盘的基础上，提供了一个用来管理文件的树状结构。
接下来我们就看看Linux 文件系统的工作原理。

1.1.1索引节点和目录项

在 Linux 中一切皆文件 ,文件系统,本身是对存储设备上的文件，进行组织管理的机制
为了方便管理，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。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。

文件数据到底是怎么存储的呢？

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。

注意：

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 ,Buw er和Cache缓存可以协调慢速磁盘
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。
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、索引节点区和数据块区。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。

1.1.2.虚拟文件系统

**什么是虚拟文件系统VFS? **
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。
为了更好地理解系统调用、VFS、缓存、文件系统以及块存储之间的关系 ,可以参考Linux 文件系统的架构图。

通过这张图，你可以看到，在 VFS 的下方，Linux 支持各种各样的文件系统，如 Ext4、XFS、NFS 等等。按照存储位置的不同，这些文件系统可以分为三类。
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就是一种最常见的虚拟文件系统。
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。
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。拿第一类，也就是基于磁盘的文件系统为例，在安装系统时，要先挂载一个根目录（/），在根目录下再把其他文件系统（比如其他的磁盘分区、/proc 文件系统、/sys 文件系统、NFS 等）挂载进来。

2.磁盘I/O工作原理

2.1.磁盘类型

2.1.1.根据介质不同分类

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。
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。
其实，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，原因也很明显。

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。

2.1.2.磁盘按照接口分类

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。

2.1.3.按照使用方式分类

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。
根据容量、性能和可靠性需求的不同，RAID 一般可以划分为多个级别，如 RAID0、RAID1、RAID5、RAID10 等。 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。
最后一种架构，是把这些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，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。

3.IO栈

Linux的IO路径可能是Linux系统中比较复杂的模块，它直接决定了系统的性能。
Linux 存储系统的 I/O 栈全景图：

图片参考https://www.thomaskrenn.com/en/wiki/Linux_Storage_Stack_Diagram
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。
应用程序：
这没什么好说的，通过相关系统调用(如open/read/write)发起IO请求，属于IO请求的源头；
文件系统：
应用程序的请求直接到达文件系统层。文件系统又分为VFS和具体文件系统（ext3、ext4等），VFS对应用层提供统一的访问接口，而ext3等文件系统则实现了这些接口。另外，提高IO性能，在该层还实现了诸如page cache等功
能。同时，用户也可以选择绕过page cache，而是直接使用direct模式进行IO（如数据库）。
块设备层：
文件系统将IO请求打包提交给块设备层，该层会对这些IO请求作合并、排序、调度等，然后以新的格式发往更底层。在该层次上实现了多种电梯调度算法，如cfq、deadline等。
SCSI层：
块设备层将请求发往SCSI层，SCSI就开始真实处理这些IO请求，但是SCSI层又对其内部按照功能划分了不同层次；
SCSI高层：高层驱动负责管理disk，接收块设备层发出的IO请求，打包成SCSI层可识别的命令格式，继续往下发；
SCSI中层：中层负责通用功能，如错误处理，超时重试等； * SCSI低层：底层负责识别物理设备，将其抽象提供给高层，同时接收高层派发的scsi命令，交给物理设备处理。

4.性能指标

4.1.磁盘I/O性能指标

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：

每秒 I/O 数（ IOPS ）

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。

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。

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。

磁盘活动时间百分比（ Utilization） %util

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处于活动状态。

服务时间（ ServiceTime） svctm

指磁盘读或写操作执行的时间，包括寻道，数据传输等时间。

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。

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。

4.2.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，当然，这些指标实际上来自 /proc/diskstats。
（1）命令格式：
iostat [参数][时间][次数]
（2）常用参数：
-c : 仅显示 cpu的状态
-d : 显示磁盘使用情况，不可以和 -c一起使用
-k : 默认显示的是读入读出的 block信息，以 KB 为单位显示
-m : 以 M 为单位显示
-t : 显示终端和CPU的信息
-x : 显示详细信息
（3）显示所有磁盘I/O的指标

[root@VM-12-2-centos ~]# iostat -d  -x 1
Linux 3.10.0-1160.71.1.el7.x86_64 (VM-12-2-centos)      01/22/2024      _x86_64_        (2 CPU)Device:         rrqm/s   wrqm/s     r/s     w/s    rkB/s    wkB/s avgrq-sz avgqu-sz   await r_await w_await  svctm  %util
vda               0.00    11.35    0.19    9.91     5.03   130.58    26.86     0.02    2.34    7.47    2.24   0.98   0.99
scd0              0.00     0.00    0.00    0.00     0.01     0.00   103.09     0.00    0.61    0.61    0.00   0.33   0.00Device:         rrqm/s   wrqm/s     r/s     w/s    rkB/s    wkB/s avgrq-sz avgqu-sz   await r_await w_await  svctm  %util
vda               0.00    26.00    0.00    9.00     0.00   152.00    33.78     0.01    1.33    0.00    1.33   1.44   1.30
scd0              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

（4）磁盘每一列的含义如下:

Device: 磁盘设备名称。
rrqm/s: 每秒进行 merge 的读操作数目。
wrqm/s: 每秒进行 merge 的写操作数目。
r/s: 每秒完成的读I/O设备次数。
w/s: 每秒完成的写I/O设备次数。
rkB/s: 每秒读KB数（千字节/秒）。
wkB/s: 每秒写KB数（千字节/秒）。
avgrq-sz: 平均每次设备I/O操作的扇区数。
avgqu-sz: 平均I/O队列长度。
await: 平均每次设备I/O操作的等待时间（毫秒）。
r_await: 读操作的平均等待时间（毫秒）。
w_await: 写操作的平均等待时间（毫秒）。
svctm: 平均每次设备I/O操作的服务时间（毫秒）。
%util: 一秒中有百分之几的时间用于 I/O 操作，即设备利用率。

（5）需要注意的指标

%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。
iostat 并不能直接得到磁盘饱和度。可以把观测到的，平均请求队列长度或者读写请求完成的等待时间，跟基准测试的结果进行对比，综合评估磁盘的饱和情况。

4.3.进程 I/O 观测

要观察进程的 I/O 情况，你还可以使用 pidstat 和 iotop 这两个工具。
（1）pidstat 观测I/O
pidstat 给它加上 -d 参数(使用-d选项，我们可以查看进程IO的统计信息 )，
你就可以看到进程的 I/O 情况，如下所示：

[root@VM-12-2-centos ~]# pidstat -d 1
Linux 3.10.0-1160.71.1.el7.x86_64 (VM-12-2-centos)      01/22/2024      _x86_64_        (2 CPU)10:02:55 PM   UID       PID   kB_rd/s   kB_wr/s kB_ccwr/s  Command
10:02:56 PM     0      8205      0.00      3.92      0.00  barad_agent
10:02:56 PM     0      8206      0.00      7.84      0.00  barad_agent
10:02:56 PM     0     12257      0.00      3.92      3.92  YDService

从 pidstat 的输出你能看到，它可以实时查看每个进程的 I/O 情况，包括下面这些内容。

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。

（2）iotop 观测I/O
iotop是一个类似于 top 的工具，你可以按照 I/O 大小对进程排序，然后找到 I/O 较大的那些进程。如果没有该命令，请通过 yum install iotop 进行安装

TID/PID：线程ID或进程ID，标识进行I/O操作的线程或进程。
PRIO：进程的优先级。
USER：进程或线程的所有者（用户名）。
DISK READ：从磁盘读取数据的速率，通常以KB/s或MB/s为单位。
DISK WRITE：写入磁盘数据的速率，同样以KB/s或MB/s为单位。
SWAPIN：进程交换（swap）进入的速率，表示进程从交换空间读取数据的频率。
IO：I/O等待的百分比，显示进程等待磁盘I/O操作完成的时间百分比。
COMMAND：进程的命令行名称或命令。
Total DISK READ：所有进程从磁盘读取数据的总速率。
Total DISK WRITE：所有进程写入磁盘数据的总速率。

5.性能工具

第一个维度，从文件系统和磁盘 I/O 的性能指标出发。换句话说，当你想查看某个性能指标时，要清楚知道，哪些工具可以做到

第二个维度，从工具出发。也就是当你已经安装了某个工具后，要知道这个工具能提供哪些指标。

6.磁盘I/O优化策略

6.1.应用程序优化策略

第一，可以用追加写代替随机写，减少寻址开销，加快 I/O 写的速度。
第二，可以借助缓存 I/O ，充分利用系统缓存，降低实际 I/O 的次数。
第三，可以在应用程序内部构建自己的缓存，或者用 Redis 这类外部缓存系统。
第四，需要频繁读写同一块磁盘空间时，可以用 mmap 代替 read/write，减少内存的拷贝次数。
第五，在需要同步写的场景中，尽量将写请求合并，而不是让每个请求都同步写入磁盘。第六，在多个应用程序共享相同磁盘时，为了保证 I/O 不被某个应用完全占用，推荐你使用 cgroups 的 I/O 子系
统，来限制进程 / 进程组的 IOPS 以及吞吐量。

6.2.文件系统优化策略

第一，你可以根据实际负载场景的不同，选择最适合的文件系统。比如 Ubuntu 默认使用 ext4 文件系统，而
CentOS 7 默认使用 xfs 文件系统。
第二，在选好文件系统后，还可以进一步优化文件系统的配置选项。
第三，可以优化文件系统的缓存。
3.磁盘优化策略
磁盘也是整个 I/O 栈的最底层。从磁盘角度出发，自然也有很多有效的性能优化方法
第一，最简单有效的优化方法，就是换用性能更好的磁盘，比如用 SSD 替代 HDD。
第二，我们可以使用 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。这样做既可以提高数据的
可靠性，又可以提升数据的访问性能。
第三，针对磁盘和应用程序 I/O 模式的特征，我们可以选择最适合的 I/O 调度算法。比方说，SSD 和虚拟机中的磁
盘，通常用的是 noop 调度算法。而数据库应用，我更推荐使用 deadline 算法。
第四，我们可以对应用程序的数据，进行磁盘级别的隔离。
第五，在顺序读比较多的场景中，我们可以增大磁盘的预读数据。
第六，我们可以优化内核块设备 I/O 的选项。比如，可以调整磁盘队列的长度,以提升磁盘的吞吐量。