Linux System and Performance Monitoring(I/O篇)

Linux System and Performance Monitoring(I/O篇) 
Date: 2009.07.21 
Author: Darren Hoch 
译: Tonnyom[AT]hotmail.com

6.0 I/O 监控介绍

磁盘I/O 子系统是Linux 系统中最慢的部分.这个主要是归于CPU到物理操作磁盘之间距离(译注:盘片旋转以及寻道).如果拿读取磁盘和内存的时间作比较就是分钟级到秒级,这就像7天和7分钟的区别.因此本质上,Linux 内核就是要最低程度的降低I/O 数.本章将诉述内核在磁盘和内存之间处理数据的这个过程中,哪些地方会产生I/O.

6.1 读和写数据 - 内存页

Linux 内核将硬盘I/O 进行分页,多数Linux 系统的默认页大小为4K.读和写磁盘块进出到内存都为4K 页大小.你可以使用time 这个命令加-v 参数,来检查你系统中设置的页大小:

# /usr/bin/time -v date 
<snip> 
Page size (bytes): 4096 
<snip>

6.2 Major and Minor Page Faults(译注:主要页错误和次要页错误)

Linux,类似多数的UNIX 系统,使用一个虚拟内存层来映射硬件地址空间.当一个进程被启动,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,就需要从磁盘上读取,此时内核过程就是major page fault(MPF).MPF 要求磁盘子系统检索页并缓存进RAM.

一旦内存页被映射进内存的buffer cache(buff)中,内核将尝试从内存中读取或写入,此时内核过程就是minor page fault(MnPF).与在磁盘上操作相比,MnPF 通过反复使用内存中的内存页就大大的缩短了内核时间.

以下的例子,使用time 命令验证了,当进程启动后,MPF 和 MnPF 的变化情况.第一次运行进程,MPF 会更多:

# /usr/bin/time -v evolution 
<snip> 
Major (requiring I/O) page faults: 163 
Minor (reclaiming a frame) page faults: 5918 
<snip>

第二次再运行时,内核已经不需要进行MPF了,因为进程所需的数据已经在内存中:

# /usr/bin/time -v evolution 
<snip> 
Major (requiring I/O) page faults: 0 
Minor (reclaiming a frame) page faults: 5581 
<snip>

6.3 The File Buffer Cache(译注:文件缓存区)

文件缓存区就是指,内核将MPF 过程最小化,MnPF 过程最大化.随着系统不断的产生I/O,buffer cache也将不断的增加.直到内存不够,以及系统需要释放老的内存页去给其他用户进程使用时,系统就会丢弃这些内存页.结果是,很多sa(译注:系统管理员)对系统中过少的free memory(译注:空闲内存)表示担心,实际上这是系统更高效的在使用caches.

以下例子,是查看/proc/meminfo 文件:

# cat /proc/meminfo 
MemTotal: 2075672 kB 
MemFree: 52528 kB 
Buffers: 24596 kB 
Cached: 1766844 kB 
<snip>

可以看出,这个系统总计有2GB (Memtotal)的可用内存.当前的空闲内存为52MB (MemFree),有24 MB内存被分配磁盘写操作(Buffers),还有1.7 GB页用于读磁盘(Cached).

内核这样是通过MnPF机制,而不代表所有的页都是来自磁盘.通过以上部分,我们不可能确认系统是否处于瓶颈中.

6.4 Type of Memory Pages

在Linux 内核中,memory pages有3种,分别是:

1,Read Pages - 这些页通过MPF 从磁盘中读入,而且是只读.这些页存在于Buffer Cache中以及包括不能够修改的静态文件,二进制文件,还有库文件.当内核需要它们时,将读取到内存中.如果内存不足,内核将释放它们回空闲列表中.程序再次请求时,则通过MPF 再次读回内存.

2,Dirty Pages - 这些页是内核在内存中已经被修改过的数据页.当这些页需要同步回磁盘上,由pdflush 负责写回磁盘.如果内存不足,kswapd (与pdflush 一起)将这些页写回到磁盘上并释放更多的内存.

3,Anonymous Pages - 这些页属于某个进程,但是没有任何磁盘文件和它们有关.他们不能和同步回磁盘.如果内存不足,kswapd 将他们写入swap 分区上并释放更多的内存("swapping" pages).

6.5 Writing Data Pages Back to Disk

应用程序有很多选择可以写脏页回磁盘上,可通过I/O 调度器使用 fsync() 或 sync() 这样的系统函数来实现立即写回.如果应用程序没有调用以上函数,pdflush 进程会定期与磁盘进行同步.

# ps -ef | grep pdflush 
root 186 6 0 18:04 ? 00:00:00 [pdflush]

7.0 监控 I/O

当觉得系统中出现了I/O 瓶颈时,可以使用标准的监控软件来查找原因.这些工具包括了top,vmstat,iostat,sar.它们的输出结果一小部分是很相似,不过每个也都提供了各自对于性能不同方面的解释.以下章节就将讨论哪些情况会导致I/O 瓶颈的出现.

7.1 Calculating IO's Per Second(译注:IOPS 的计算)

每个I/O 请求到磁盘都需要若干时间.主要是因为磁盘的盘边必须旋转,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I/O 请求所需的时间计算就是DS加上RD.磁盘的RD 基于设备自身RPM 单位值(译注:RPM 是Revolutions Perminute的缩写,是转/每分钟,代表了硬盘的转速).一个RD 就是一个盘片旋转的半圆.如何计算一个10K RPM设备的RD 值呢:

1, 10000 RPM / 60 seconds (10000/60 = 166 RPS) 
2, 转换为 166分之1 的值(1/166 = 0.006 seconds/Rotation) 
3, 单位转换为毫秒(6 MS/Rotation) 
4, 旋转半圆的时间(6/2 = 3MS) 也就是 RD 
5, 加上平均3 MS 的寻道时间 (3MS + 3MS = 6MS) 
6, 加上2MS 的延迟(6MS + 2MS = 8MS) 
7, 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.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.

7.2 Random vs Sequential I/O(译注:随机/顺序 I/O)

per I/O产生的KB 字节数是与系统本身workload相关的,有2种不同workload的类型,它们是sequential和random.

7.2.1 Sequential I/O(译注:顺序IO)

iostat 命令提供信息包括IOPS 和每个I/O 数据处理的总额.可使用iostat -x 查看.顺序的workload是同时读顺序请求大量的数据.这包括的应用,比如有商业数据库(database)在执行大量的查询和流媒体服务.在这个workload 中,KB per I/O 的比率应该是很高的.Sequential workload 是可以同时很快的移动大量数据.如果每个I/O 都节省了时间,那就意味了能带来更多的数据处理.

# iostat -x 1

avg-cpu: %user %nice %sys %idle 
0.00 0.00 57.1 4 42.86

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util 
/dev/sda 0.00 12891.43 0.00 105.71 0.00 1 06080.00 0.00 53040.00 1003.46 1099.43 3442.43 26.49 280.00 
/dev/sda1 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 
/dev/sda2 0.00 12857.14 0.00 5.71 0.00 105782.86 0.00 52891.43 18512.00 559.14 780.00 490.00 280.00 
/dev/sda3 0.00 34.29 0.00 100.00 0.00 297.14 0.00 148.57 2.97 540.29 594.57 24.00 240.00

avg-cpu: %user %nice %sys %idle 
0.00 0.00 23.53 76.47

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util 
/dev/sda 0.00 17320.59 0.00 102.94 0.00 142305.88 0.00 71152.94 1382.40 6975.29 952.29 28.57 294.12 
/dev/sda1 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 
/dev/sda2 0.00 16844.12 0.00 102.94 0.00 138352.94 0.00 69176.47 1344.00 6809.71 952.29 28.57 294.12 
/dev/sda3 0.00 476.47 0.00 0.00 0.00 952.94 0.00 1976.47 0.00 165.59 0.00 0.00 276.47

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,比如 
rkB/s 除以 r/s 
wkB/s 除以 w/s

53040/105 = 505KB per I/O 
71152/102 = 697KB per I/O 
在上面例子可看出,每次循环下,/dev/sda 的per I/O 都在增加.

7.2.2 Random I/O(译注:随机IO)

Random的worklaod环境下,不依赖于数据大小的多少,更多依赖的是磁盘的IOPS 数.Web和Mail 服务就是典型的Random workload.I/O 请求内容都很小.Random workload是同时每秒会有更多的请求数产生.所以,磁盘的IOPS 数是关键.

# iostat -x 1

avg-cpu: %user %nice %sys %idle 
2.04 0.00 97.96 0.00

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util 
/dev/sda 0.00 633.67 3.06 102.31 24.49 5281.63 12.24 2640.82 288.89 73.67 113.89 27.22 50.00 
/dev/sda1 0.00 5.10 0.00 2.04 0.00 57.14 0.00 28.57 28.00 1.12 55.00 55.00 11.22 
/dev/sda2 0.00 628.57 3.06 100.27 24.49 5224.49 12.24 2612.24 321.50 72.55 121.25 30.63 50.00 
/dev/sda3 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

avg-cpu: %user %nice %sys %idle 
2.15 0.00 97.85 0.00

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util 
/dev/sda 0.00 41.94 6.45 130.98 51.61 352.69 25.81 3176.34 19.79 2.90 286.32 7.37 15.05 
/dev/sda1 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 
/dev/sda2 0.00 41.94 4.30 130.98 34.41 352.69 17.20 3176.34 21.18 2.90 320.00 8.24 15.05 
/dev/sda3 0.00 0.00 2.15 0.00 17.20 0.00 8.60 0.00 8.00 0.00 0.00 0.00 0.00

计算方式和之前的公式一致:

2640/102 = 23KB per I/O 
3176/130 = 24KB per I/O

(译注:对于顺序I/O来说,主要是考虑读取大量数据的能力即KB per request.对于随机I/O系统,更需要考虑的是IOPS值)

7.3 When Virtual Memory Kills I/O

如果系统没有足够的RAM 响应所有的请求,就会使用到SWAP device.就像使用文件系统I/O,使用SWAP device 代价也很大.如果系统已经没有物理内存可用,那就都在SWAP disk上创建很多很多的内存分页,如果同一文件系统的数据都在尝试访问SWAP device,那系统将遇到I/O 瓶颈.最终导致系统性能的全面崩溃.如果内存页不能够及时读或写磁盘,它们就一直保留在RAM中.如果保留时间太久,内核又必须释放内存空间.问题来了,I/O 操作都被阻塞住了,什么都没做就被结束了,不可避免地就出现kernel panic和system crash.

下面的vmstat 示范了一个内存不足情况下的系统:

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- ----cpu---- 
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa 
17 0 1250 3248 45820 1488472 30 132 992 0 2437 7657 23 50 0 23 
11 0 1376 3256 45820 1488888 57 245 416 0 2391 7173 10 90 0 0 
12 0 1582 1688 45828 1490228 63 131 1348 76 2432 7315 10 90 0 10 
12 2 3981 1848 45468 1489824 185 56 2300 68 2478 9149 15 12 0 73 
14 2 10385 2400 44484 1489732 0 87 1112 20 2515 11620 0 12 0 88 
14 2 12671 2280 43644 1488816 76 51 1812 204 2546 11407 20 45 0 35

这个结果可看出,大量的读请求回内存(bi),导致了空闲内存在不断的减少(free).这就使得系统写入swap device的块数目(so)和swap 空间(swpd)在不断增加.同时看到CPU WIO time(wa)百分比很大.这表明I/O 请求已经导致CPU 开始效率低下.

要看swaping 对磁盘的影响,可使用iostat 检查swap 分区

# iostat -x 1

avg-cpu: %user %nice %sys %idle 
0.00 0.00 100.00 0.00

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util 
/dev/sda 0.00 1766.67 4866.67 1700.00 38933.33 31200.00 19466.67 15600.00 10.68 6526.67 100.56 5.08 3333.33 
/dev/sda1 0.00 933.33 0.00 0.00 0.00 7733.33 0.00 3866.67 0.00 20.00 2145.07 7.37 200.00 
/dev/sda2 0.00 0.00 4833.33 0.00 38666.67 533.33 19333.33 266.67 8.11 373.33 8.07 6.90 87.00 
/dev/sda3 0.00 833.33 33.33 1700.00 266.67 22933.33 133.33 11466.67 13.38 6133.33 358.46 11.35 1966.67

在这个例子中,swap device(/dev/sda1) 和 file system device(/dev/sda3)在互相作用于I/O. 其中任一个会有很高写请求(w/s),也会有很高wait time(await),或者较低的服务时间比率(svctm).这表明2个分区之间互有联系,互有影响.

7.4 结论

I/O 性能监控包含了以下几点:

1,当CPU 有等待I/O 情况时,那说明磁盘处于超负荷状态. 
2,计算你的磁盘能够承受多大的IOPS 数. 
3,确定你的应用是属于随机或者顺序读取磁盘. 
4,监控磁盘慢需要比较wait time(await) 和 service time(svctm). 
5,监控swap 和系统分区,要确保virtual memory不是文件系统I/O 的瓶颈.