【Linux系列-2】iostat命令详解

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发布于 2020-09-16 09:47:59

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iostat命令详解

1 iostat简介

iostat命令是Linux系统上查看I/O性能最基本的工具，其全称为 I/O statistics。iostat能统计磁盘活动情况，也能统计CPU使用情况。 iostat属于sysstat软件包，可以通过命令进行安装：

yum install sysstat

iostat数据的来源是Linux操作系统的/proc/diskstats：

# cat /proc/diskstats
   8       0 sda 239219 1806 37281259 2513275 904326 88832 50268824 26816609 0 4753060 29329105
   8       1 sda1 338 0 53241 6959 154 0 5496 3724 0 6337 10683
   8       2 sda2 238695 1797 37226458 2504489 620322 88832 50263328 25266599 0 3297988 27770221
   8      16 sdb 1009117 481 1011773 127319 0 0 0 0 0 126604 126604
   8      17 sdb1 1008792 480 1010929 127078 0 0 0 0 0 126363 126363
 253       0 dm-0 1005 0 8040 15137 30146 0 241168 2490230 0 30911 2505369
 253       1 dm-1 192791 0 35500457 2376087 359162 0 44095600 22949466 0 2312433 25325563
 253       2 dm-2 47132 0 1717329 183565 496207 0 5926560 7348763 0 2517753 7532688

注意，procfs中的前三个字段：主设备号、从设备号、设备名。

从第四个字段开始，介绍的是该设备的相关统计：

rd_ios：读操作的次数
rd_merges：合并读操作的次数。如果两个读操作读取相邻的数据块，那么可以被合并成1个。
rd_sectors：读取的扇区数量
rd_ticks：读操作消耗的时间（以毫秒为单位）。每个读操作从__make_request()开始计时，到end_that_request_last()为止，包括了在队列中等待的时间。
wr_ios：写操作的次数
wr_merges：合并写操作的次数
wr_sectors：写入的扇区数量
wr_ticks：写操作消耗的时间（以毫秒为单位）
in_flight：当前未完成的I/O数量。在I/O请求进入队列时该值加1，在I/O结束时该值减1。注意：是I/O请求进入队列时，而不是提交给硬盘设备时。
io_ticks：该设备用于处理I/O的自然时间(wall-clock time)
time_in_queue：对字段#10(io_ticks)的加权值

iostat有以下缺陷：

iostat的输出结果大多数是一段时间内的平均值，因此难以反映峰值情况
iostat仅能对系统整体情况进行分析汇报，却不能针对某个进程进行深入分析。
iostat未单独统计IO处理信息，而是将IO处理时间和IO等待时间合并统计，因此包括await在内的指标并不能非常准确地衡量磁盘性能表现。

2 命令与参数项

2.1 命令格式

iostat[参数][时间][次数]

例如，iostat -d -x -k 1 3：每1s采集一次数据，显示3次，以kb为单位显示磁盘使用情况详细信息。

2.2 参数详解

-x 显示详细信息
-C 显示CPU使用情况，与-d选项互斥
-d 显示磁盘使用情况，与-C选项互斥
-k 以 KB 为单位显示
-m 以 M 为单位显示
-N 显示磁盘阵列(LVM) 信息
-n 显示NFS 使用情况
-p[磁盘] 显示磁盘和分区的情况
-t 显示终端和CPU的信息
-V 显示版本信息

3 输出项目说明

使用iostat后，结果面板如下：

avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle
           1.44    0.00    0.39    0.00    0.00   98.17

Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn
sda               0.37         0.47        30.30    3561197  229837730
dm-0              0.44         0.33        29.97    2518272  227313194
dm-1              0.12         0.13         0.33    1013276    2520308
dm-2              0.00         0.00         0.00        502       2068

3.1 cpu属性

iostat结果面板 avg-cpu 描述的是系统cpu使用情况：

%user：CPU处在用户模式下的时间百分比。
%nice：CPU处在带NICE值的用户模式下的时间百分比。
%system：CPU处在系统模式下的时间百分比。
%iowait：CPU等待输入输出完成时间的百分比。
%steal：管理程序维护另一个虚拟处理器时，虚拟CPU的无意识等待时间百分比。
%idle：CPU空闲时间百分比。

3.2 磁盘属性

iostat结果面板 Device 项描述的是系统磁盘使用情况：

tps：该设备每秒的传输次数（Indicate the number of transfers per second that were issued to the device.）。“一次传输”意思是“一次I/O请求”。多个逻辑请求可能会被合并为“一次I/O请求”。“一次传输”请求的大小是未知的。
kB_read/s：每秒从设备（drive expressed）读取的数据量；
kB_wrtn/s：每秒向设备（drive expressed）写入的数据量；
kB_read：读取的总数据量；
kB_wrtn：写入的总数量数据量；

4 使用实例

4.1 查看磁盘详情

命令：

iostat -d -x -k 1 1

输出结果：

Device:         rrqm/s   wrqm/s     r/s     w/s    rkB/s    wkB/s avgrq-sz avgqu-sz   await r_await w_await  svctm  %util
sda               0.03     0.16    0.01    0.36     0.47    30.30   165.95     0.02   55.32    9.22   56.77  13.56   0.50
dm-0              0.00     0.00    0.01    0.44     0.33    29.97   136.71     0.02   54.07   12.12   54.68  11.28   0.50
dm-1              0.00     0.00    0.03    0.08     0.13     0.33     8.00     0.12 1015.22    5.91 1420.78   0.41   0.00
dm-2              0.00     0.00    0.00    0.00     0.00     0.00    48.96     0.00    1.27    0.37    9.80   1.27   0.00

结果说明：

rrqm/s：每秒合并读操作的次数，如果两个读操作读取相邻的数据块时，可以被合并成一个，以提高效率。合并的操作通常是I/O scheduler（也叫elevator）负责的。
wrqm/s：每秒合并写操作的次数
r/s：每秒读操作的次数
w/s：每秒写操作的次数
rKB/s：每秒读取的字节数（KB）
wKB/s：每秒写入的字节数（KB）
rkB/s：每秒读K字节数，是 rsect/s 的一半,因为每扇区大小为512字节(需要计算)
wkB/s：每秒写K字节数，是 wsect/s 的一半(需要计算)
avgrq-sz：每个IO的平均扇区数，即所有请求的平均大小，以扇区（512字节）为单位
avgqu-sz：平均未完成的IO请求数量，即平均意义上的请求队列长度
await：平均每个IO所需要的时间，包括在队列等待的时间，也包括磁盘控制器处理本次请求的有效时间
- r_await：每个读操作平均所需要的时间，不仅包括硬盘设备读操作的时间，也包括在内核队列中的时间。
- w_wait：每个写操平均所需要的时间，不仅包括硬盘设备写操作的时间，也包括在队列中等待的时间。
svctm：表面看是每个IO请求的服务时间，不包括等待时间，但是实际上，这个指标已经废弃。实际上，iostat工具没有任何一输出项表示的是硬盘设备平均每次IO的时间。
%util：表示该设备有I/O（即非空闲）的时间比率，不考虑I/O有多少，只考虑有没有。

4.2 其他

iostat 1 3：每隔 1秒刷新显示，且显示3次
iostat -d sda1：显示指定磁盘信息
iostat -t：显示tty和Cpu信息
iostat -m：以M为单位显示所有信息
iostat -d -k 1 1：查看TPS和吞吐量信息
iostat -d -x -k 1 1：查看设备使用率（%util）、响应时间（await）
iostat -c 1 3：查看cpu状态，每隔 1秒刷新显示，且显示3次

5 深入解析

5.1 avgqu-sz

IO请求的队列长度，反映了系统磁盘任务处理的繁忙程度，该值越大，表示排队等待处理的IO请求越多。平均队列长度的计算：我们考虑如下的场景，如果同一时间来了250个IO请求，后续再也没有新的请求到来。这种情况下，每个请求处理时间都是4ms，那么所有IO的平均等待时间为：

平均等待时间 = 单个请求处理时间*(1+2+3+4...+(请求总数-1))/请求总数

对于我们的例子来说，平均等待时间是 500ms，那么所有IO花费的总时间为250*500 = 125000ms，这个时间除以1000ms，得到 125，即平均队列长度。这个值很明显是符合直观的。排在队列最前端的IO认为，队列的长度是0，第2个IO认为队列的长度是1，第3个IO认为队列的长度是2，最后一个认为队列的长度是249。

5.2 await

await是单个I/O所消耗的时间，包括硬盘设备处理I/O的时间和I/O请求在kernel队列中等待的时间：

await  = IO 平均处理时间 + IO在队列的平均等待时间

正常情况下队列等待时间可以忽略不计：

await = ((所有读IO的时间)+(所有写IO的时间))/((读请求的个数) + (写请求的个数))

这个值，多大算正常呢？对于SSD，从0.0x毫秒到1.x毫秒不等，具体看产品手册。对于机械硬盘，大致来说一万转的机械硬盘是8.38毫秒，包括寻道时间、旋转延迟、传输时间。关于await的一个误区是，人们常常武断地认为，await值比较高，就认为磁盘性能差，其实，await这个值不能反映硬盘设备的性能。我们考虑两种IO的模型：

250个IO请求同时进入等待队列
250个IO请求依次发起，待上一个IO完成后，发起下一个IO

第一种情况await高达500ms，第二个情况await只有4ms，但是都是同一块盘。在实践中，要根据应用场景来判断await是否正常，如果I/O模式很随机、I/O负载比较高，会导致磁头乱跑，寻道时间长，那么相应地await要估算得大一些；如果I/O模式是顺序读写，只有单一进程产生I/O负载，那么寻道时间和旋转延迟都可以忽略不计，主要考虑传输时间，相应地await就应该很小，甚至不到1毫秒。对磁盘阵列来说，因为有硬件缓存，写操作不等落盘就算完成，所以写操作的service time大大加快了，如果磁盘阵列的写操作不在一两个毫秒以内就算慢的了；读操作则未必，不在缓存中的数据仍然需要读取物理硬盘，单个小数据块的读取速度跟单盘差不多。