Comment surveiller les performances d'E/S du disque Linux

La pile d'E/S du système de stockage Linux se compose de trois parties : couche de système de fichiers, couche de bloc générale** et **couche de périphérique.

Parmi eux, la couche de bloc générale est le cœur des E/S disque Linux. Il fournit une interface standard vers le haut pour accéder aux périphériques de bloc des systèmes de fichiers et des applications ; vers le bas, il résume divers périphériques de disque hétérogènes en un périphérique de bloc unifié et répond aux E/S envoyées par le système de fichiers et les applications.

Dans cet article, nous examinerons les mesures de performances du disque et comment les afficher.

Mesures de performances des disques Linux

Lorsque nous mesurons les performances des disques, nous mentionnons souvent cinq mesures courantes : utilisation, saturation, IOPS, débit et temps de réponse. Ces cinq indicateurs sont les indicateurs de base pour mesurer les performances du disque.

1. Utilisation : pourcentage de temps pendant lequel le disque traite les E/S. Une utilisation excessive (par exemple plus de 80 %) signifie généralement qu'il existe un goulot d'étranglement en termes de performances au niveau des E/S disque.
2. Saturation : fait référence à l'occupation du disque par le traitement des E/S. La sursaturation signifie que le disque présente un sérieux goulot d'étranglement en termes de performances. Lorsque la saturation est de 100 %, le disque ne peut pas accepter de nouvelles requêtes d'E/S.
3. IOPS (Input/Output Per Second) : fait référence au nombre de requêtes d'E/S par seconde.
4. Débit : la taille des requêtes d'E/S par seconde.
5. Temps de réponse : Désigne l'intervalle entre l'envoi d'une requête d'E/S et la réception d'une réponse.

Il convient de noter qu'en ce qui concerne l'utilisation, nous considérons uniquement s'il y a des E/S, pas la taille des E/S. Autrement dit, lorsque l'utilisation est de 100 %, il est toujours possible pour le disque d'accepter de nouvelles demandes d'E/S.

De manière générale, lors de la sélection d'un serveur pour une application, vous devez d'abord comparer les performances d'E/S du disque afin d'évaluer avec précision les performances du disque et de déterminer s'il peut répondre aux besoins de l'application.

Bien sûr, cela nécessite que vous testiez les performances de différentes tailles d'E/S (généralement entre 512 Go et 1 Mo) dans divers scénarios d'application tels que lecture aléatoire, lecture séquentielle, écriture aléatoire, écriture séquentielle, etc.

Observation des E/S disque

La première chose à observer est l'utilisation de chaque disque. iostat est l’outil d’observation des performances d’E/S disque le plus couramment utilisé. Il fournit une variété de mesures de performances courantes telles que Utilisation, IOPS et Débit par disque. Bien sûr, ces métriques proviennent en réalité de /proc/diskstats.

Ce qui suit est un exemple du résultat de iostat : 

# -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

Parmi les indicateurs ci-dessus, ce à quoi vous devez prêter attention est :

• %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

您可能已经注意到 iostat 不能直接获取磁盘的饱和度。事实上，通常没有什么简单的方法可以测量饱和度。但是，您可以将观察到的平均请求队列长度或完成读写请求的等待时间与基准测试（例如通过 fio）的结果进行比较，以综合评估磁盘饱和度。

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 
13:39:51      UID       PID   kB_rd/s   kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay  Command 
13:39:52      102       916      0.00      4.00      0.00       0  rsyslogd

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。

$ iotop
Total DISK READ :       0.00 B/s | Total DISK WRITE :       7.85 K/s 
Actual DISK READ:       0.00 B/s | Actual DISK WRITE:       0.00 B/s 
  TID  PRIO  USER     DISK READ  DISK WRITE  SWAPIN     IO>    COMMAND 
15055 be/3 root        0.00 B/s    7.85 K/s  0.00 %  0.00 % systemd-journald

从该输出可以看到，前两行分别代表进程的磁盘读写总大小和磁盘的实际读写总大小。由于缓存、缓冲区、I/O 合并等因素，它们可能不相等。

剩下的部分从各个角度代表了进程的 I/O 情况，包括 线程 ID、I/O 优先级、每秒磁盘读取大小、每秒磁盘写入大小、换入百分比和等待 I/O 时钟百分比。

结论

在本文中，我介绍了 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。

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