Linux下的IO监控与分析

近期要在公司内部做个Linux IO方面的培训, 整理下手头的资料给大家分享下



各种IO监视工具在Linux IO 体系结构中的位置

源自 Linux Performance and Tuning Guidelines.pdf

1 系统级IO监控

iostat

　　iostat -xdm 1 # 个人习惯



%util 代表磁盘繁忙程度。100% 表示磁盘繁忙, 0%表示磁盘空闲。但是注意,磁盘繁忙不代表磁盘(带宽)利用率高

argrq-sz 提交给驱动层的IO请求大小,一般不小于4K,不大于max(readahead_kb, max_sectors_kb)

可用于判断当前的IO模式,一般情况下,尤其是磁盘繁忙时, 越大代表顺序,越小代表随机

svctm 一次IO请求的服务时间,对于单块盘,完全随机读时,基本在7ms左右,既寻道+旋转延迟时间

注: 各统计量之间关系

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%util = ( r/s + w/s) * svctm / 1000 # 队列长度 = 到达率 * 平均服务时间

avgrq-sz = ( rMB/s + wMB/s) * 2048 / (r/s + w/s) # 2048 为 1M / 512

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总结:

iostat 统计的是通用块层经过合并(rrqm/s, wrqm/s)后,直接向设备提交的IO数据,可以反映系统整体的IO状况,但是有以下2个缺点:

1 距离业务层比较遥远,跟代码中的write,read不对应(由于系统预读 + pagecache + IO调度算法等因素, 也很难对应)

2 是系统级,没办法精确到进程,比如只能告诉你现在磁盘很忙,但是没办法告诉你是谁在忙,在忙什么？

2 进程级IO监控

iotop 和 pidstat (仅rhel6u系列)

iotop 顾名思义, io版的top

pidstat 顾名思义, 统计进程(pid)的stat,进程的stat自然包括进程的IO状况

这两个命令,都可以按进程统计IO状况,因此可以回答你以下二个问题

当前系统哪些进程在占用IO,百分比是多少?
占用IO的进程是在读?还是在写?读写量是多少?

pidstat 参数很多,仅给出几个个人习惯

pidstat -d 1 #只显示IO



pidstat -u -r -d -t 1 # -d IO 信息,

# -r 缺页及内存信息

# -u CPU使用率

# -t 以线程为统计单位

# 1 1秒统计一次

iotop, 很简单,直接敲命令

block_dump, iodump

iotop 和 pidstat 用着很爽,但两者都依赖于/proc/pid/io文件导出的统计信息, 这个对于老一些的内核是没有的,比如rhel5u2

因此只好用以上2个穷人版命令来替代:

echo 1 > /proc/sys/vm/block_dump # 开启block_dump,此时会把io信息输入到dmesg中

# 源码: submit_bio@ll_rw_blk.c:3213

watch -n 1 “dmesg -c | grep -oP \”\w+\d+: (WRITE|READ)\” | sort | uniq -c”

# 不停的dmesg -c

echo 0 > /proc/sys/vm/block_dump # 不用时关闭

也可以使用现成的脚本 iodump, 具体参见 http://code.google.com/p/maatkit/source/browse/trunk/util/iodump?r=5389

iotop.stp

systemtap脚本,一看就知道是iotop命令的穷人复制版,需要安装Systemtap, 默认每隔5秒输出一次信息

stap iotop.stp # examples/io/iotop.stp

总结

进程级IO监控 ，

可以回答系统级IO监控不能回答的2个问题
距离业务层相对较近(例如,可以统计进程的读写量)

但是也没有办法跟业务层的read,write联系在一起,同时颗粒度较粗,没有办法告诉你,当前进程读写了哪些文件? 耗时? 大小 ？

3 业务级IO监控

ioprofile

ioprofile 命令本质上是 lsof + strace, 具体下载可见 http://code.google.com/p/maatkit/
ioprofile 可以回答你以下三个问题:

1 当前进程某时间内,在业务层面读写了哪些文件(read, write)？

2 读写次数是多少?(read, write的调用次数)

3 读写数据量多少?(read, write的byte数)

假设某个行为会触发程序一次IO动作,例如: “一个页面点击,导致后台读取A,B,C文件”

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./io_event # 假设模拟一次IO行为,读取A文件一次, B文件500次, C文件500次

ioprofile -p `pidof io_event` -c count # 读写次数



ioprofile -p `pidof io_event` -c times # 读写耗时



ioprofile -p `pidof io_event` -c sizes # 读写大小



注: ioprofile 仅支持多线程程序,对单线程程序不支持. 对于单线程程序的IO业务级分析,strace足以。

总结:

ioprofile本质上是strace,因此可以看到read,write的调用轨迹,可以做业务层的io分析(mmap方式无能为力)

4 文件级IO监控

文件级IO监控可以配合/补充”业务级和进程级”IO分析

文件级IO分析,主要针对单个文件, 回答当前哪些进程正在对某个文件进行读写操作.

1 lsof 或者 ls /proc/pid/fd

2 inodewatch.stp

lsof 告诉你 当前文件由哪些进程打开

lsof ../io # io目录 当前由 bash 和 lsof 两个进程打开



lsof 命令 只能回答静态的信息, 并且”打开” 并不一定”读取”, 对于 cat ,echo这样的命令, 打开和读取都是瞬间的,lsof很难捕捉

可以用 inodewatch.stp 来弥补

stap inodewatch.stp major minor inode # 主设备号, 辅设备号, 文件inode节点号

stap inodewatch.stp 0xfd 0x00 523170 # 主设备号, 辅设备号, inode号,可以通过 stat 命令获得

5 IO模拟器

iotest.py # 见附录

开发人员可以 利用 ioprofile (或者 strace) 做详细分析系统的IO路径,然后在程序层面做相应的优化。

但是一般情况下调整程序,代价比较大,尤其是当不确定修改方案到底能不能有效时,最好有某种模拟途径以快速验证。

以为我们的业务为例，发现某次查询时,系统的IO访问模式如下:

访问了A文件一次

访问了B文件500次, 每次16字节, 平均间隔 502K

访问了C文件500次, 每次200字节, 平均间隔 4M

这里 B,C文件是交错访问的, 既

1 先访问B,读16字节,

2 再访问C,读200字节,

3 回到B,跳502K后再读16字节,

4 回到C,跳4M后,再读200字节

5 重复500次

strace 文件如下:



一个简单朴素的想法, 将B,C交错读,改成先批量读B , 再批量读C,因此调整strace 文件如下:



将调整后的strace文件, 作为输入交给 iotest.py, iotest.py 按照 strace 文件中的访问模式, 模拟相应的IO

iotest.py -s io.strace -f fmap

fmap 为映射文件,将strace中的222,333等fd,映射到实际的文件中

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111 = /opt/work/io/A.data

222 = /opt/work/io/B.data

333 = /opt/work/io/C.data

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6 磁盘碎片整理

一句话: 只要磁盘容量不常年保持80%以上,基本上不用担心碎片问题。

如果实在担心,可以用 defrag 脚本

7 其他IO相关命令

blockdev 系列

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blockdev –getbsz /dev/sdc1 # 查看sdc1盘的块大小

block blockdev –getra /dev/sdc1 # 查看sdc1盘的预读(readahead_kb)大小

blockdev –setra 256 /dev/sdc1 # 设置sdc1盘的预读(readahead_kb)大小,低版的内核通过/sys设置,有时会失败,不如blockdev靠谱

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