硬盘IO性能优化之套路篇

此篇文章为我个人学习笔记,出自倪朋飞老师的Linux性能优化实战,强烈建议购买:https://time.geekbang.org/column/intro/140

文件系统

文件系统,本身是对存储设备上的文件,进行组织管理的机制。组织方式不同,就会形成不同的文件系统。在 Linux 中一切皆文件。不仅普通的文件和目录,就连块设备、套接字、管道等,也都要通过统一的文件系统来管理。

为了方便管理,Linux 文件系统为每个文件都分配两个数据结构,索引节点(index node)和目录项(directory entry)。它们主要用来记录文件的元信息和目录结构。

  • 索引节点,简称为 inode,用来记录文件的元数据,比如 inode 编号、文件大小、访问权限、修改日期、数据的位置等。索引节点和文件一一对应,它跟文件内容一样,都会被持久化存储到磁盘中。所以记住,索引节点同样占用磁盘空间。
  • 目录项,简称为 dentry,用来记录文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的关联关系。多个关联的目录项,就构成了文件系统的目录结构。不过,不同于索引节点,目录项是由内核维护的一个内存数据结构,所以通常也被叫做目录项缓存。

换句话说,索引节点是每个文件的唯一标志,而目录项维护的正是文件系统的树状结构。目录项和索引节点的关系是多对一,你可以简单理解为,一个文件可以有多个别名。

不过,这里有两点需要你注意。

第一,目录项本身就是一个内存缓存,而索引节点则是存储在磁盘中的数据。在前面的 Buffer 和 Cache 原理中,我曾经提到过,为了协调慢速磁盘与快速 CPU 的性能差异,文件内容会缓存到页缓存 Cache 中。这些索引节点自然也会缓存到内存中,加速文件的访问。

第二,磁盘在执行文件系统格式化时,会被分成三个存储区域,超级块、索引节点区和数据块区。其中,

  • 超级块,存储整个文件系统的状态。
  • 索引节点区,用来存储索引节点。
  • 数据块区,则用来存储文件数据。

另外,磁盘读写的最小单位是扇区,然而扇区只有 512B 大小,文件系统又把连续的扇区组成了逻辑块,然后每次都以逻辑块为最小单元,来管理数据。常见的逻辑块大小为 4KB,也就是由连续的 8 个扇区组成。

同时,文件系统中的目录项和索引节点缓存,又该如何观察呢?

实际上,内核使用 Slab 机制,管理目录项和索引节点的缓存。/proc/meminfo 只给出了 Slab 的整体大小,具体到每一种 Slab 缓存,还要查看 /proc/slabinfo 这个文件。但是输出的内容比较乱,我们可以借助slabtop来查看

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# 按下 c 按照缓存大小排序,按下 a 按照活跃对象数排序 
$ slabtop
Active / Total Objects (% used) : 277970 / 358914 (77.4%)
Active / Total Slabs (% used) : 12414 / 12414 (100.0%)
Active / Total Caches (% used) : 83 / 135 (61.5%)
Active / Total Size (% used) : 57816.88K / 73307.70K (78.9%)
Minimum / Average / Maximum Object : 0.01K / 0.20K / 22.88K

OBJS ACTIVE USE OBJ SIZE SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME
69804 23094 0% 0.19K 3324 21 13296K dentry
16380 15854 0% 0.59K 1260 13 10080K inode_cache
58260 55397 0% 0.13K 1942 30 7768K kernfs_node_cache
485 413 0% 5.69K 97 5 3104K task_struct
1472 1397 0% 2.00K 92 16 2944K kmalloc-2048

如上所示,目录项和索引节点占用了最多的 Slab 缓存。不过它们占用的内存其实并不大,加起来也只有 23MB 左右。

虚拟文件系统

目录项、索引节点、逻辑块以及超级块,构成了 Linux 文件系统的四大基本要素。不过,为了支持各种不同的文件系统,Linux 内核在用户进程和文件系统的中间,又引入了一个抽象层,也就是虚拟文件系统 VFS(Virtual File System)。

VFS 定义了一组所有文件系统都支持的数据结构和标准接口。这样,用户进程和内核中的其他子系统,只需要跟 VFS 提供的统一接口进行交互就可以了,而不需要再关心底层各种文件系统的实现细节。

如上图,在 VFS 的下方,Linux 支持各种各样的文件系统,如 Ext4、XFS、NFS 等等。按照存储位置的不同,这些文件系统可以分为三类。

  • 第一类是基于磁盘的文件系统,也就是把数据直接存储在计算机本地挂载的磁盘中。常见的 Ext4、XFS、OverlayFS 等,都是这类文件系统。
  • 第二类是基于内存的文件系统,也就是我们常说的虚拟文件系统。这类文件系统,不需要任何磁盘分配存储空间,但会占用内存。我们经常用到的 /proc 文件系统,其实就是一种最常见的虚拟文件系统。此外,/sys 文件系统也属于这一类,主要向用户空间导出层次化的内核对象。
  • 第三类是网络文件系统,也就是用来访问其他计算机数据的文件系统,比如 NFS、SMB、iSCSI 等。

这些文件系统,要先挂载到 VFS 目录树中的某个子目录(称为挂载点),然后才能访问其中的文件。拿第一类,也就是基于磁盘的文件系统为例,在安装系统时,要先挂载一个根目录(/),在根目录下再把其他文件系统(比如其他的磁盘分区、/proc 文件系统、/sys 文件系统、NFS 等)挂载进来。

磁盘

  • 机械磁盘,也称为硬盘驱动器(Hard Disk Driver),通常缩写为 HDD。机械磁盘主要由盘片和读写磁头组成,数据就存储在盘片的环状磁道中。在读写数据前,需要移动读写磁头,定位到数据所在的磁道,然后才能访问数据。
  • 固态磁盘(Solid State Disk),通常缩写为 SSD,由固态电子元器件组成。固态磁盘不需要磁道寻址,所以,不管是连续 I/O,还是随机 I/O 的性能,都比机械磁盘要好得多。
  • 机械磁盘的最小读写单位是扇区,一般大小为 512 字节。而固态磁盘的最小读写单位是页,通常大小是 4KB、8KB 等。
  • 文件系统会把连续的扇区或页,组成逻辑块,然后以逻辑块作为最小单元来管理数据。常见的逻辑块的大小是 4KB,也就是说,连续 8 个扇区,或者单独的一个页,都可以组成一个逻辑块。

通用块层

与虚拟文件系统 VFS 类似,为了减小不同块设备的差异带来的影响,Linux 通过一个统一的通用块层,来管理各种不同的块设备。其有2个功能:

  • 第一个功能跟虚拟文件系统的功能类似。向上,为文件系统和应用程序,提供访问块设备的标准接口;向下,把各种异构的磁盘设备抽象为统一的块设备,并提供统一框架来管理这些设备的驱动程序。
  • 第二个功能,通用块层还会给文件系统和应用程序发来的 I/O 请求排队,并通过重新排序、请求合并等方式,提高磁盘读写的效率。

对 I/O 请求排序的过程,也就是我们熟悉的 I/O 调度算法。这一层其实是由内核控制的。Linux 内核支持四种 I/O 调度算法,分别是 NONE、NOOP、CFQ 以及 DeadLine。

把 Linux 存储系统的 I/O 栈,由上到下分为三个层次,分别是文件系统层、通用块层和设备层。

  • 文件系统层,包括虚拟文件系统和其他各种文件系统的具体实现。它为上层的应用程序,提供标准的文件访问接口;对下会通过通用块层,来存储和管理磁盘数据。
  • 通用块层,包括块设备 I/O 队列和 I/O 调度器。它会对文件系统的 I/O 请求进行排队,再通过重新排序和请求合并,然后才要发送给下一级的设备层。
  • 设备层,包括存储设备和相应的驱动程序,负责最终物理设备的 I/O 操作。

存储系统的 I/O ,通常是整个系统中最慢的一环。所以, Linux 通过多种缓存机制来优化 I/O 效率。比方说,为了优化文件访问的性能,会使用页缓存、索引节点缓存、目录项缓存等多种缓存机制,以减少对下层块设备的直接调用。同样,为了优化块设备的访问效率,会使用缓冲区,来缓存块设备的数据。

磁盘性能指标

说到磁盘性能的衡量标准,必须要提到五个常见指标,也就是我们经常用到的,使用率、饱和度、IOPS、吞吐量以及响应时间等。这五个指标,是衡量磁盘性能的基本指标。

  • 使用率,是指磁盘处理 I/O 的时间百分比。过高的使用率(比如超过 80%),通常意味着磁盘 I/O 存在性能瓶颈。
  • 饱和度,是指磁盘处理 I/O 的繁忙程度。过高的饱和度,意味着磁盘存在严重的性能瓶颈。当饱和度为 100% 时,磁盘无法接受新的 I/O 请求。
  • IOPS(Input/Output Per Second),是指每秒的 I/O 请求数。
  • 吞吐量,是指每秒的 I/O 请求大小。
  • 响应时间,是指 I/O 请求从发出到收到响应的间隔时间。

这里要注意的是,使用率只考虑有没有 I/O,而不考虑 I/O 的大小。换句话说,当使用率是 100% 的时候,磁盘依然有可能接受新的 I/O 请求。

性能优化指标

文件系统 I/O 性能指标

  1. 存储空间的使用情况,包括容量、使用量以及剩余空间等。
  2. 缓存使用情况,包括页缓存、目录项缓存、索引节点缓存以及各个具体文件系统(如 ext4、XFS 等)的缓存。
  3. 文件 I/O 也是很重要的性能指标,包括 IOPS(包括 r/s 和 w/s)、响应时间(延迟)以及吞吐量(B/s)等。在考察这类指标时,通常还要考虑实际文件的读写情况。比如,结合文件大小、文件数量、I/O 类型等,综合分析文件 I/O 的性能。

磁盘 I/O 性能指标

  1. 使用率,是指磁盘忙处理 I/O 请求的百分比。过高的使用率(比如超过 60%)通常意味着磁盘 I/O 存在性能瓶颈。
  2. IOPS(Input/Output Per Second),是指每秒的 I/O 请求数。
  3. 吞吐量,是指每秒的 I/O 请求大小。
  4. 响应时间,是指从发出 I/O 请求到收到响应的间隔时间。 image

根据指标找工具: image

I/O 性能优化

应用程序优化

应用程序处于整个 I/O 栈的最上端,它可以通过系统调用,来调整 I/O 模式(如顺序还是随机、同步还是异步), 同时,它也是 I/O 数据的最终来源。在我看来,可以有这么几种方式来优化应用程序的 I/O 性能。

  1. 可以用追加写代替随机写,减少寻址开销,加快 I/O 写的速度。
  2. 可以借助缓存 I/O ,充分利用系统缓存,降低实际 I/O 的次数。
  3. 可以在应用程序内部构建自己的缓存,或者用 Redis 这类外部缓存系统。这样,一方面,能在应用程序内部,控制缓存的数据和生命周期;另一方面,也能降低其他应用程序使用缓存对自身的影响。比如, C 标准库提供的 fopen、fread 等库函数,都会利用标准库的缓存,减少磁盘的操作。而你直接使用 open、read 等系统调用时,就只能利用操作系统提供的页缓存和缓冲区等,而没有库函数的缓存可用
  4. 在需要频繁读写同一块磁盘空间时,可以用 mmap 代替 read/write,减少内存的拷贝次数。
  5. 在需要同步写的场景中,尽量将写请求合并,而不是让每个请求都同步写入磁盘,即可以用 fsync() 取代 O_SYNC。
  6. 在多个应用程序共享相同磁盘时,为了保证 I/O 不被某个应用完全占用,推荐你使用 cgroups 的 I/O 子系统,来限制进程 / 进程组的 IOPS 以及吞吐量。
  7. 在使用 CFQ 调度器时,可以用 ionice 来调整进程的 I/O 调度优先级,特别是提高核心应用的 I/O 优先级。ionice 支持三个优先级类:Idle、Best-effort 和 Realtime。其中, Best-effort 和 Realtime 还分别支持 0-7 的级别,数值越小,则表示优先级别越高。

文件系统优化

应用程序访问普通文件时,实际是由文件系统间接负责,文件在磁盘中的读写。所以,跟文件系统中相关的也有很多优化 I/O 性能的方式。

  1. 根据实际负载场景的不同,选择最适合的文件系统。比如 Ubuntu 默认使用 ext4 文件系统,而 CentOS 7 默认使用 xfs 文件系统。相比于 ext4 ,xfs 支持更大的磁盘分区和更大的文件数量,如 xfs 支持大于 16TB 的磁盘。但是 xfs 文件系统的缺点在于无法收缩,而 ext4 则可以。
  2. 在选好文件系统后,还可以进一步优化文件系统的配置选项,包括文件系统的特性(如 ext_attr、dir_index)、日志模式(如 journal、ordered、writeback)、挂载选项(如 noatime)等等。
  3. 可以优化文件系统的缓存。你可以优化 pdflush 脏页的刷新频率(比如设置 dirty_expire_centisecs 和 dirty_writeback_centisecs)以及脏页的限额(比如调整 dirty_background_ratio 和 dirty_ratio 等)。你还可以优化内核回收目录项缓存和索引节点缓存的倾向,即调整 vfs_cache_pressure(/proc/sys/vm/vfs_cache_pressure,默认值 100),数值越大,就表示越容易回收。
  4. 在不需要持久化时,你还可以用内存文件系统 tmpfs,以获得更好的 I/O 性能 。tmpfs 把数据直接保存在内存中,而不是磁盘中。比如 /dev/shm/ ,就是大多数 Linux 默认配置的一个内存文件系统,它的大小默认为总内存的一半。

磁盘优化

数据的持久化存储,最终还是要落到具体的物理磁盘中,同时,磁盘也是整个 I/O 栈的最底层。从磁盘角度出发,自然也有很多有效的性能优化方法。

  1. 最简单有效的优化方法,就是换用性能更好的磁盘,比如用 SSD 替代 HDD。
  2. 使用 RAID ,把多块磁盘组合成一个逻辑磁盘,构成冗余独立磁盘阵列。这样做既可以提高数据的可靠性,又可以提升数据的访问性能。
  3. 针对磁盘和应用程序 I/O 模式的特征,我们可以选择最适合的 I/O 调度算法。比方说,SSD 和虚拟机中的磁盘,通常用的是 noop 调度算法。而数据库应用,我更推荐使用 deadline 算法。
  4. 对应用程序的数据,进行磁盘级别的隔离。比如,我们可以为日志、数据库等 I/O 压力比较重的应用,配置单独的磁盘。
  5. 顺序读比较多的场景中,我们可以增大磁盘的预读数据,比如,你可以通过下面两种方法,调整 /dev/sdb 的预读大小。
    • 调整内核选项 /sys/block/sdb/queue/read_ahead_kb,默认大小是 128 KB,单位为 KB。
    • 使用 blockdev 工具设置,比如 blockdev –setra 8192 /dev/sdb,注意这里的单位是 512B(0.5KB),所以它的数值总是 read_ahead_kb 的两倍。
  6. 我们可以优化内核块设备 I/O 的选项。比如,可以调整磁盘队列的长度 /sys/block/sdb/queue/nr_requests,适当增大队列长度,可以提升磁盘的吞吐量(当然也会导致 I/O 延迟增大)。
  7. 磁盘本身出现硬件错误,也会导致 I/O 性能急剧下降,所以发现磁盘性能急剧下降时,你还需要确认,磁盘本身是不是出现了硬件错误。可以查看 dmesg 中是否有硬件 I/O 故障的日志。 还可以使用 badblocks、smartctl 等工具,检测磁盘的硬件问题,或用 e2fsck 等来检测文件系统的错误。如果发现问题,你可以使用 fsck 等工具来修复。
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