开发应该知道的Linux系统分析-IO篇

小文件读写的性能瓶颈是磁盘的寻址（随机读写性能更差）,评估的标准是tps。大文件读写的性能瓶颈是带宽，评估的标准是持续的读写速度。Linux可以利用空闲内存作文件系统访问的cache，因此系统内存越大存储系统的性能也越好。

iostat

• kB_read/s表示每秒读取的数据块数。
• kB_wrtn/s表示每秒写入的数据块数。
• kB_read表示读取的所有块数。
• kB_wrtn表示写入的所有块数。

可以通过kB_read/s和kB_wrtn/s的值对磁盘的读写性能有一个基本的了解，如果kB_wrtn/s值很大，表示磁盘的写操作很频繁，可以考虑优化磁盘或者优化程序，如果kB_read/s值很大，表示磁盘直接读取操作很多，可以将读取的数据放入内存中进行操作。

对于这两个选项的值没有一个固定的大小，根据系统应用的不同，会有不同的值，但是有一个规则还是可以遵循的：长期的、超大的数据读写，肯定是不正常的，这种情况一定会影响系统性能。

sar评估磁盘性能

• await表示平均每次设备I/O操作的等待时间（以毫秒为单位）
• svctm表示平均每次设备I/O操作的服务时间（以毫秒为单位）
• %util表示一秒中有百分之几的时间用于I/O操作

对于磁盘IO性能，一般有如下评判标准：

• 正常情况下svctm应该是小于await值的，而svctm的大小和磁盘性能有关，CPU、内存的负荷也会对svctm值造成影响，过多的请求也会间接的导致svctm值的增加。
• await值的大小一般取决于svctm的值和I/O队列长度以及I/O请求模式，如果svctm的值与await很接近，表示几乎没有I/O等待，磁盘性能很好，如果await的值远高于svctm的值，则表示I/O队列等待太长，系统上运行的应用程序将变慢，此时可以通过更换更快的硬盘来解决问题。
• %util项的值也是衡量磁盘I/O的一个重要指标，如果%util接近100%，表示磁盘产生的I/O请求太多，I/O系统已经满负荷的在工作，该磁盘可能存在瓶颈。长期下去，势必影响系统的性能，可以通过优化程序或者通过更换更高、更快的磁盘来解决此问题

Disk IO为什么慢?

Disk IO是Linux系统中最慢的部分,距离CPU较远,且有物理损耗:磁盘盘体必须旋转,机头必须寻道.磁盘的旋转常常被称为"rotational delay"(RD),机头的移动称为"disk seek"(DS).一个IO请求所需的时间计算就是DS加上RD.

如何计算一个10K RPM设备的RD 值?

10000 RPM / 60 seconds (10000/60 = 166 RPS)

转换为 166分之1 的值(1/166 = 0.006 seconds/Rotation)

单位转换为毫秒(6 MS/Rotation)

旋转半圆的时间(6/2 = 3MS) 也就是 RD

加上平均3 MS 的寻道时间 (3MS + 3MS = 6MS)

加上2MS 的延迟(6MS + 2MS = 8MS)

1000 MS / 8 MS (1000/8 = 125 IOPS)

每次应用程序产生一个I/O,在10K RPM磁盘上都要花费平均 8MS.在这个固定时间里,磁盘将尽可能且有效率在进行读写磁盘.IOPS 可以计算出大致的I/O 请求数,10K RPM 磁盘有能力提供120-150 次IOPS.

IOPS (Input/Output Operations Per Second) 即每秒进行读写（I/O）操作的次数，多用于数据库等场合，衡量随机访问的性能。 评估IOPS 的效能,可用每秒读写I/O 字节数除以每秒读写IOPS 数得出。

Random读写负载与数据大小无关,主要取决于磁盘能够达到的IOPS数. Web和Mail Server是典型的随机访问例子,每次请求的的数据量都很小;随机读写依赖同时可以处理多少IO请求,所以更高的额IOPS数是关键。

IO 如何提速?

• Linux kernel要尽量减少磁盘IO,这里解决的实际上是优化磁盘<--->内存过程
• Linux kernel 将磁盘IO按照页面为单位读取,大多数的页面大小是4K,换句话说,磁盘和内存交换数据的单位是4K。可以用下面的方式检查你系统的页面大小：

IO 如何提速

Kernel 使用file buffer cache 来尽可能降低major page fault(MPF)和增加minor page fault(MnPF)。系统产生IO请求,buffer cache会一直增长指导内存减少低到一定水平,kernel需要释放一些页面来做他用.

Linux使用一个虚拟内存层来映射硬件地址空间. 当一个进程启动,这个过程按需进行,内核先扫描CPU caches和物理内存.如果进程需要的数据在这2个地方都没找到,内核抛出一个major page fault(MPF).MPF要求磁盘系统检索页并缓存进RAM.一旦内存页被映射到buffer cache(buff)中,内核将尝试使用这些页(读写数据)并产出一个minor page fault(MnPF).与扔在磁盘上操作相比,MnPF通过反复使用内存页,大大的缩短了内核时间。

操作系统的工作原理来讲,buffer/cache的目的主要是为了减少MPFs,增加MnPFs。

sar评估缓冲区性能

以上各列的含义为：

• tps: 每秒向磁盘设备请求数据的次数，包括读、写请求，为rtps与wtps的和。出于效率考虑，每一次IO下发后并不是立即处理请求，而是将请求合并(merge)，这里tps指请求合并后的请求计数。
• rtps: 每秒向磁盘设备的读请求次数
• wtps: 每秒向磁盘设备的写请求次数
• bread: 每秒从磁盘读的bytes数量
• bwrtn: 每秒向磁盘写的bytes数量

一旦出现CPU出现等待IO,就说明磁盘过载。当多个进程试图同时访问同一个磁盘时，会发生磁盘争用。大多数磁盘对访问次数（每秒I/O操作）和每秒可传输的数据量（I/O数据速率或吞吐量）都有限制。当达到这些限制时，进程必须等待访问磁盘。

每周一句: 自信乐观，诚实正直，自我驱动，勇于担责！