談到 Linux 磁盤 I/O 的工作原理，我們了解到 Linux 存儲(chǔ)系統(tǒng) I/O 棧由文件系統(tǒng)層（file system layer）、通用塊層（ general block layer）和設(shè)備層（device layer）構(gòu)成。

其中，通用塊層是 Linux 磁盤 I/O 的核心。向上，它為訪問文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序的塊設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)接口；向下，它將各種異構(gòu)磁盤設(shè)備抽象為一個(gè)統(tǒng)一的塊設(shè)備，并響應(yīng)文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序發(fā)送的 I/O。

在本文中，我們來看看磁盤的性能指標(biāo)以及如何查看這些指標(biāo)。

Linux 磁盤性能指標(biāo)

在衡量磁盤性能時(shí)，我們經(jīng)常提到五個(gè)常見指標(biāo)：利用率、飽和度、IOPS、吞吐量和響應(yīng)時(shí)間。這五個(gè)指標(biāo)是衡量磁盤性能的基本指標(biāo)。

利用率（Utilization）：磁盤處理 I/O 的時(shí)間百分比。過度使用（如超過 80%）通常意味著磁盤 I/O 存在性能瓶頸。

飽和度（Saturation）：指磁盤處理 I/O 的繁忙程度。過度飽和意味著磁盤存在嚴(yán)重的性能瓶頸。當(dāng)飽和度為 100% 時(shí)，磁盤無法接受新的 I/O 請(qǐng)求。

IOPS（Input/Output Per Second）：指每秒 I/O 請(qǐng)求的數(shù)量。

吞吐量（Throughput）：每秒 I/O 請(qǐng)求的大小。

響應(yīng)時(shí)間（Response time）：指發(fā)送 I/O 請(qǐng)求和接收響應(yīng)之間的間隔時(shí)間。

這里需要注意的是，關(guān)于利用率，我們只考慮有無 I/O，而不考慮 I/O 的大小。也就是說，當(dāng)利用率為 100% 時(shí)，磁盤仍有可能接受新的 I/O 請(qǐng)求。

一般來說，在為應(yīng)用選擇服務(wù)器時(shí)，首先要對(duì)磁盤的 I/O 性能進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，這樣才能準(zhǔn)確評(píng)估磁盤性能，以判斷是否能夠滿足應(yīng)用的需求。

當(dāng)然，這需要你在隨機(jī)讀、順序讀、隨機(jī)寫、順序?qū)懙雀鞣N應(yīng)用場(chǎng)景下測(cè)試不同 I/O 大小（通常是 512B ~ 1MB 之間）的性能。

磁盤 I/O 觀察

首先要觀察的是每個(gè)磁盤的使用情況。iostat 是最常用的磁盤 I/O 性能觀察工具。它提供了各種常用性能指標(biāo)，例如每個(gè)磁盤的利用率、IOPS 和吞吐量。當(dāng)然，這些指標(biāo)實(shí)際上來自 /proc/diskstats。

以下是 iostat 的輸出示例：

#?-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

在上述指標(biāo)中，您需要注意的是：

%util 是我們前面提到的磁盤 I/O 使用情況

r/s 和 w/s 是 IOPS

rkB/s 和 wkB/s 是吞吐量

r_await 和 w_await 是響應(yīng)時(shí)間

您可能已經(jīng)注意到 iostat 不能直接獲取磁盤的飽和度。事實(shí)上，通常沒有什么簡(jiǎn)單的方法可以測(cè)量飽和度。但是，您可以將觀察到的平均請(qǐng)求隊(duì)列長(zhǎng)度或完成讀寫請(qǐng)求的等待時(shí)間與基準(zhǔn)測(cè)試（例如通過 fio）的結(jié)果進(jìn)行比較，以綜合評(píng)估磁盤飽和度。

進(jìn)程 I/O 觀察

除了每個(gè)磁盤的 I/O 情況，每個(gè)進(jìn)程的 I/O 情況也是大家關(guān)注的重點(diǎn)。

上面提到的 iostat 只提供了觀察磁盤的整體 I/O 性能數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)是無法知道哪些進(jìn)程正在讀寫磁盤。要觀察進(jìn)程的 I/O，還可以使用 pidstat 和 iotop 工具。

例如，要使用 pidstat

$?pidstat?-d?1?
1351??????UID???????PID???kB_rd/s???kB_wr/s?kB_ccwr/s?iodelay??Command?
1352??????102???????916??????0.00??????4.00??????0.00???????0??rsyslogd

從 pidstat 的輸出可以看出，它可以實(shí)時(shí)查看每個(gè)進(jìn)程的 I/O 情況，這包括以下內(nèi)容：

用戶 ID (UID) 和進(jìn)程 ID (PID)。

每秒讀取的數(shù)據(jù)大小 (kB_rd/s)，以 KB 為單位。

每秒發(fā)出的寫請(qǐng)求數(shù)據(jù)的大小（kB_wr/s），單位為KB。

每秒取消寫入請(qǐng)求的數(shù)據(jù)大小 (kB_ccwr/s)，以 KB 為單位。

塊 I/O 延遲 (iodelay)，包括等待同步塊（synchronized block）I/O 和換入塊（swap-in block）I/O 完成的時(shí)間，以時(shí)鐘周期為單位。

除了使用 pidstat 實(shí)時(shí)查看進(jìn)程磁盤 I/O 外，還有一個(gè)磁盤性能分析的常用方法是根據(jù) I/O 大小對(duì)進(jìn)程進(jìn)行排序。為此，我推薦 iotop 工具。它是一個(gè)類似于 top 的工具，您可以按 I/O 大小對(duì)進(jìn)程進(jìn)行排序，并找到具有更大 I/O 的進(jìn)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

從該輸出可以看到，前兩行分別代表進(jìn)程的磁盤讀寫總大小和磁盤的實(shí)際讀寫總大小。由于緩存、緩沖區(qū)、I/O 合并等因素，它們可能不相等。

剩下的部分從各個(gè)角度代表了進(jìn)程的 I/O 情況，包括 線程 ID、I/O 優(yōu)先級(jí)、每秒磁盤讀取大小、每秒磁盤寫入大小、換入百分比和等待 I/O 時(shí)鐘百分比。

結(jié)論

在本文中，我介紹了 Linux 磁盤 I/O 的性能指標(biāo)和查看性能工具。我們通常使用 IOPS、吞吐量、利用率、飽和度和響應(yīng)時(shí)間等幾個(gè)指標(biāo)來評(píng)估磁盤的 I/O 性能。

可以使用 iostat 獲取磁盤的 I/O 情況，也可以使用 pidstat、iotop 等觀察進(jìn)程的 I/O 情況。但在分析這些性能指標(biāo)時(shí)，要注意結(jié)合讀寫比率、I/O 類型、I/O 大小等綜合分析。

編輯：黃飛

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