监测 Linux 的磁盘 I/O 性能

Linux 存储系统 I/O 栈由文件系统层（file system layer）、通用块层（ general block layer）和设备层（device layer）构成。

其中，通用块层是 Linux 磁盘 I/O 的核心。向上，它为访问文件系统和应用程序的块设备提供了标准接口；向下，它将各种异构磁盘设备抽象为一个统一的块设备，并响应文件系统和应用程序发送的 I/O。

Linux 磁盘性能指标

在衡量磁盘性能时，我们经常提到五个常见指标：利用率、饱和度、IOPS、吞吐量和响应时间。这五个指标是衡量磁盘性能的基本指标。

1. 利用率（Utilization）：磁盘处理 I/O 的时间百分比。过度使用（如超过 80%）通常意味着磁盘 I/O 存在性能瓶颈。

2. 饱和度（Saturation）：指磁盘处理 I/O 的繁忙程度。过度饱和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。

3. IOPS（Input/Output Per Second）：指每秒 I/O 请求的数量。

4. 吞吐量（Throughput）：每秒 I/O 请求的大小。

5. 响应时间（Response time）：指发送 I/O 请求和接收响应之间的间隔时间。

需要注意的是，关于利用率，我们只考虑有无 I/O，而不考虑 I/O 的大小。也就是说，当利用率为 100% 时，磁盘仍有可能接受新的 I/O 请求。

磁盘 I/O 观察

首先要观察的是每个磁盘的使用情况。iostat是最常用的磁盘 I/O 性能观察工具。它提供了各种常用性能指标，例如每个磁盘的利用率、IOPS 和吞吐量。当然，这些指标实际上来自 /proc/diskstats。

以下是iostat的输出示例：

# -d -x means display all disk I/O performance
$ 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

在上述指标中，您需要注意的是：

• %util 是我们前面提到的磁盘 I/O 使用情况
• r/s 和 w/s 是 IOPS
• rkB/s 和 wkB/s是吞吐量
• r_await 和w_await 是响应时间

进程 I/O 观察

除了每个磁盘的 I/O 情况，每个进程的 I/O 情况也是大家关注的重点。

上面提到的iostat 只提供了观察磁盘的整体 I/O 性能数据。

缺点是无法知道哪些进程正在读写磁盘。

要观察进程的 I/O，还可以使用 pidstat 和iotop工具。

例如，要使用 pidstat

pidstat -d 1
Linux 3.10.0-1160.76.1.el7.x86_64 (nacos1.com)  2022年09月27日  _x86_64_        (16 CPU)

17时10分07秒   UID       PID   kB_rd/s   kB_wr/s kB_ccwr/s  Command
17时10分08秒  2888     28649      0.00     15.69      0.00  java

从 pidstat 的输出可以看出，它可以实时查看每个进程的 I/O 情况，这包括以下内容：

• 用户 ID ( UID ) 和进程 ID ( PID )。
• 每秒读取的数据大小 (kB_rd/s )，以 KB 为单位。
• 每秒发出的写请求数据的大小（kB_wr/s ），单位为KB。
• 每秒取消写入请求的数据大小 ( kB_ccwr/s )，以 KB 为单位。
• 块 I/O 延迟 ( iodelay )，包括等待同步块（synchronized block）I/O 和换入块（swap-in block）I/O 完成的时间，以时钟周期为单位。

除了使用pidstat 实时查看进程磁盘 I/O 外，还有一个磁盘性能分析的常用方法是根据 I/O 大小对进程进行排序。为此，我推荐 iotop工具。它是一个类似于 top 的工具，您可以按 I/O 大小对进程进行排序，并找到具有更大 I/O 的进程。

结论

Linux 磁盘 I/O 的性能指标和查看性能工具。我们通常使用 IOPS、吞吐量、利用率、饱和度和响应时间等几个指标来评估磁盘的 I/O 性能。

可以使用iostat 获取磁盘的 I/O 情况，也可以使用pidstat、iotop等观察进程的 I/O 情况。

但在分析这些性能指标时，要注意结合读写比率、I/O 类型、I/O 大小等综合分析。