Linux 之《荒岛余生》（四）：I/O 篇

我们在cpu篇就提到，iowait高一般代表硬盘到瓶颈了。wait的意思，就是等，就像等正在化妆的女朋友，总是带着一丝焦躁。本篇是《荒岛余生》系列第四篇，I/O篇，计算机中最慢的那一环。其余参见：

一点背景

速度差异

I/O 不仅仅是硬盘，还包括外围的所有设备，比如键盘鼠标，比如 1.44M 的 3.5 英寸软盘（还有人记得么）。但服务器环境，泛指硬盘。

硬盘有多慢呢？我们不去探究不同设备的实现细节，直接看它的写入速度（数据有出入，仅作参考）：

可以看到普通磁盘的随机写和顺序写相差是非常大的。而 随机写 完全和cpu内存不在一个数量级。缓冲区依然是解决速度差异的唯一工具，所以在极端情况比如断电等，就产生了太多的不确定性。这些缓冲区，都容易丢。

我们举例看一下为了消除这些性能差异，软件方面都做了哪些权衡。

• 数据库设计，采用 BTree 结构组织数据，通过减少对磁盘的访问和随机读取，来提高性能

• Postgres 通过顺序写 WAL 日志、 ES 通过写 translog 等，通过预写，避免断电后数据丢失问题

• Kafka 通过 顺序写 来增加性能，但在topic非常多的情况下性能弱化为随机写

• Kafka 通过 零拷贝 技术，利用DMA绕过内存直接发送数据

• Redis 使用内存模拟存储，它流行的主要原因就是和硬盘打交道的传统DB速度太慢

• 回忆一下内存篇的 buffer区 ，是用来缓冲写入硬盘的数据的。linux的 sync 命令可以将buffer的数据刷到硬盘上，突然断电的话，就不好说了

做一个内存盘

如果你的内存够大，那么可以做一个内存盘。跑游戏，做文件交换什么的不要太爽。

mkdir /memdisk
mount  -t tmpfs -o size=1024m  tmpfs /memdisk/

以上命令划出 1GB 内存，挂载到 /memdisk 目录，然后就可以像使用普通文件夹一样使用它了。只是，速度不可同日而语。

使用dd命令测试写入速度

[root@xjj memdisk]# time dd if=/dev/zero of=test.file bs=4k count=200000
200000+0 records in
200000+0 records out
819200000 bytes (819 MB) copied, 0.533173 s, 1.5 GB/s

real    0m0.534s
user    0m0.020s
sys    0m0.510s

你见过这么快的硬盘么？

排查I/O问题的一般思路

判断 I/O 问题的命令其实并不多，大体有下面几个。

#查看wa
top 
#查看wa和io(bi、bo)
vmstat 1
#查看性能相关i/o详情
sar -b 1 2
# 查看问题相关i/o详情
iostat -x 1
# 查看使用i/o最多的进程
iotop

惊鸿一瞥

首先是我们的老面孔。top、vmstat、sar命令，可以初步判断io情况。

bi、bo等在你了解磁盘的类型后才有判断价值。我们有更专业的判断工具，所以这些信息一瞥即可。

在本例中， wa 已经达到 30% ，证明cpu耗费在上面的时间太多。

定位问题

如何判断还需要结合 iostat 的帮助。有时候你是无可奈何的，比如这台 MySQL 的宿主机。你可能会更换更牛X的磁盘，或者整治耗I/O的慢SQL，再或者去改参数。

你瞧瞧，其实一个 iostat 命令就够了！我们对一些重要结果进行说明：

• %util最重要的判断参数。一般地，如果该参数是100%表示设备已经接近满负荷运行了

• Device表示发生在哪块硬盘。如果你有多快，则会显示多行

• avgqu-sz还记得准备篇里提到的么？这个值是请求队列的饱和度，也就是平均请求队列的长度。毫无疑问，队列长度越短越好

• await响应时间应该低于5ms，如果大于10ms就比较大了。这个时间包括了队列时间和服务时间

• svctm表示平均每次设备 I/O 操作的服务时间。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

总体来说， %util 代表了硬盘的繁忙程度，是你进行扩容增加配置的指标。而 await 、 avgqu-sz 、 svctm 等是硬盘的性能指标，如果 %util 正常的情况下反应异常则代表你的磁盘可能存在问题。

iostat打印出的第1个报告，数值是基于最后一次系统启动的时间统计的；基于这个原因，在大部份情况下，iostat打印出的第1个报告应该被忽略。

另外一种方式就是通过ps命令或者top命令得到状态为D的进程。比如下面命令，循环10次进行状态抓取。

for x in `seq 1 1 10`; do ps -eo state,pid,cmd | grep "^D"; echo "----"$x; sleep 5; done

找到I/O大户

iostat 查看的是硬盘整体的状况，但我们想知道到底是哪个应用引起的。top系列有一个 iotop ，能够像top一样，看到占用 I/O 最多的应用。 iotop 的本质是一个 python 脚本，从 proc 目录中获取thread的IO信息，进行汇总。比如

[root@xjj ~]# cat  /proc/5178/io
rchar: 628
wchar: 461
syscr: 2
syscw: 8
read_bytes: 0
write_bytes: 0
cancelled_write_bytes: 0

如图，显示了当前系统硬盘的读写速度和应用的I/O使用占比。

那么怎么看应用所关联的所有文件信息呢？可以使用lsof命令，列出了所有的引用句柄。

[root@xjj ~]# lsof -p 4050
COMMAND  PID  USER   FD   TYPE             DEVICE     SIZE/OFF      NODE NAME
mysqld  4050 mysql  314u  IPv6          115230644          0t0       TCP iZ2zeeaoqoxksuhnqbgfjjZ:mysql->10.30.134.8:54943 (ESTABLISHED)
mysqld  4050 mysql  320u   REG             253,17         2048  44829072 /data/mysql/mysql/user.MYI
mysqld  4050 mysql  321u   REG             253,17         3108  44829073 /data/mysql/mysql/user.MYD
...

更深层的信息，可以通过类似 Percona-Toolkit 这种 工具 去深入排查，比如 pt-ioprofile ，在此不做详解。

几个特殊进程说明

kswapd0

这依然是由于swap虚拟内存引起的，证明虚拟内存正在大量使用

jbd2

全称是journaling block driver。这个进程实现的是文件系统的日志功能，磁盘使用日志功能来保证数据的完整性。

可以通过以下方法将其关掉，但一定要权衡

dumpe2fs /dev/sda1
tune2fs -o journal_data_writeback /dev/sda1
tune2fs -O "^has_journal" /dev/sda1
e2fsck -f /dev/sda1

同时在fstab下重新设定一下，在defaults之后增加

defaults,data=writeback,noatime,nodiratime

你可能会有一个数量级的性能提升。

其他

硬盘快满了

使用 df 命令可以看到磁盘的使用情况。一般，使用达到90%就需要重点关注，然后人工介入删除文件了。

[root@xjj ~]# df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/vda1        40G  8.3G   29G  23% /
/dev/vdb1      1008G   22G  935G   3% /data
tmpfs           1.0G  782M  243M  77% /memdisk

使用 du 命令可以查看某个文件的大小。

[root@xjj ~]# du -h test.file
782M    test.file

如果想把一个文件置空，千万不要直接rm。其他应用可能保持着它的引用，经常发上文件删除但空间不释放的问题。比如tomcat的calatina.out文件，如果你想清空里面的内容，不要rm，可以执行下面的命令进行文件内容清空

cat /dev/null > calatina.out

这非常安全。

zero copy

kafka比较快的一个原因就是使用了zero copy。所谓的Zero copy，就是在操作数据时, 不需要将数据buffer从一个内存区域拷贝到另一个内存区域。因为少了一次内存的拷贝, CPU的效率就得到提升。

我们来看一下它们之间的区别：

要想将一个文件的内容通过socket发送出去，传统的方式需要经过以下步骤：

=>将文件内容拷贝到内核空间

=>将内核空间的内容拷贝到用户空间内存，比如 java 应用

=>用户空间将内容写入到内核空间的缓存中

=>socket读取内核缓存中的内容，发送出去

如上图，zero copy在内核的支持下，少了一个步骤，那就是内核缓存向用户空间的拷贝。即节省了内存，也节省了cpu的调度时间，效率很高。

值得注意的是，java中的zero copy，指的其实是DirectBuffer；而Netty的zero copy是在用户空间中进行的优化。两者并不是一个概念。

Linux通用I/O模型

面向接口编程？linux从诞生开始就有了。在 linux 下，一切都是文件，比如设备、脚本、可执行文件、目录等。操作它们，都有公用的接口。所以，编写一个设备驱动，就是实现这些接口而已。

• fd = open(pathname, flags, mode)

• rlen = read(fd, buf, count)

• wlen = write(fd, buf, count)

• status = close(fd)

使用 stat 命令可以看到文件的一些状态。

[root@xjj ~]# stat test.file
  File: ‘test.file’
  Size: 819200000     Blocks: 1600000    IO Block: 4096   regular file
Device: 26h/38d    Inode: 3805851     Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Access: 2018-11-29 12:56:34.801412100 +0800
Modify: 2018-11-29 12:56:35.334415131 +0800
Change: 2018-11-29 12:56:35.334415131 +0800

而使用 file 命令，能得到文件的类型信息

[root@xjj ~]# file /bin/bash
/bin/bash: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=ab347e897f002d8e3836479e2430d75305fe6a94, stripped

I/O模型

谈完了 I/O 问题的定位方法，就不得不提一下Linux下的 5 种 I/O 模型。等等，这其实是一个网络问题。

• 同步阻塞IO（Blocking IO）传统的IO模型

• 同步非阻塞IO（Non-blocking IO）非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK

• IO多路复用（IO Multiplexing）即经典的Reactor设计模式

• 异步IO（Asynchronous IO）即经典的Proactor设计模式

java中 nio 使用的就是多路复用功能，也就是使用的Linux的 epoll 库。一般手撸nio的比较少了，大都是直接使用 netty 进行开发。它们用到的，就是经典的reactor模式。

我们能得到什么

除了能够帮助我们评价I/O瓶颈，一个非常重要的点就是：业务研发要合理输出日志，日志文件不仅仅是影响磁盘那么简单，它还会耗占大量的CPU。

对于我们平常的优化思路，也有章可循。像mysql、es、postgresql等，在写真正的数据库文件之前，会有很多层缓冲。如果你对数据可靠性要求并不是那么严重，调整这些缓冲参数的阈值和执行间隔，通常会得到较大的性能提升。

当然，了解I/O还能帮助我们更好的理解一些软件的设计理念。比如leveldb是如何通过LSM来组织数据；ES为什么会存在那么多的段合并；甚至 Redis 为何存在。

当然，你可能再也无法忍受单机硬盘的这些特性，转而寻求像ceph这样的解决方案。但无论如何，我们都该向所有的数据库研发工作者致敬，在很长一段时间里，我们依然需要和缓慢的I/O共行。