阅读 989

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:

Linux之《荒岛余生》(一)准备篇

Linux之《荒岛余生》(二)CPU篇

Linux之《荒岛余生》(三)内存篇

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1.44M3.5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/
复制代码

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
复制代码

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
复制代码

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awaitavgqu-szsvctm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
复制代码

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
复制代码

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
...
复制代码

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
复制代码

同时在fstab下重新设定一下,在defaults之后增加

defaults,data=writeback,noatime,nodiratime
复制代码

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
复制代码

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
复制代码

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 
复制代码

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
复制代码

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
复制代码

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5I/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。

关注下面的标签,发现更多相似文章
评论