（1）磁盘 I/O 性能指标
文件系统和磁盘 I/O 指标对应的工具
文件系统和磁盘 I/O 工具对应的指标
（2）磁盘 I/O 问题定位分析思路
（3）I/O 性能优化思路
Step 1：首先采用 I/O 基准测试工具得到文件系统或磁盘 I/O 的极限性能，作为优化的目标。
Step 2：从应用程序、文件系统以及磁盘角度，分别对 I/O 性能进行优化。
1 文件系统或磁盘 I/O 的基准测试工具：fio ( Flexible I/O Tester )
# Ubuntu
apt-get install -y fio
# CentOS
yum install -y fio
# 随机读
fio -name=randread -direct=1 -iodepth=64 -rw=randread -ioengine=libaio -bs=4k -size=1G -numjobs=1 -runtime=1000 -group_reporting -filename=/dev/sdb
# 随机写
fio -name=randwrite -direct=1 -iodepth=64 -rw=randwrite -ioengine=libaio -bs=4k -size=1G -numjobs=1 -runtime=1000 -group_reporting -filename=/dev/sdb
# 顺序读
fio -name=read -direct=1 -iodepth=64 -rw=read -ioengine=libaio -bs=4k -size=1G -numjobs=1 -runtime=1000 -group_reporting -filename=/dev/sdb
# 顺序写
fio -name=write -direct=1 -iodepth=64 -rw=write -ioengine=libaio -bs=4k -size=1G -numjobs=1 -runtime=1000 -group_reporting -filename=/dev/sdb
- direct，表示是否跳过系统缓存。设置为 1 ，表示跳过系统缓存。
- iodepth，表示使用异步 I/O（asynchronous I/O，简称 AIO）时，同时发出的 I/O 请求上限。在上面的示例中，我设置的是 64。
- rw，表示 I/O 模式。我的示例中， read/write 分别表示顺序读 / 写，而 randread/randwrite 则分别表示随机读 / 写。
- ioengine，表示 I/O 引擎，它支持同步（sync）、异步（libaio）、内存映射（mmap）、网络（net）等各种 I/O 引擎。上面示例中，我设置的 libaio 表示使用异步 I/O。
- bs，表示 I/O 的大小。示例中，我设置成了 4K（这也是默认值）。
- filename，表示文件路径，当然，它可以是磁盘路径（测试磁盘性能），也可以是文件路径（测试文件系统性能）。示例中，我把它设置成了磁盘 /dev/sdb。不过注意，用磁盘路径测试写，会破坏这个磁盘中的文件系统，所以在使用前，你一定要事先做好数据备份。
fio 输出：
read: (g=0): rw=read, bs=(R) 4096B-4096B, (W) 4096B-4096B, (T) 4096B-4096B, ioengine=libaio, iodepth=64
fio-3.1
Starting 1 process
Jobs: 1 (f=1): [R(1)][100.0%][r=16.7MiB/s,w=0KiB/s][r=4280,w=0 IOPS][eta 00m:00s]
read: (groupid=0, jobs=1): err= 0: pid=17966: Sun Dec 30 08:31:48 2018
read: IOPS=4257, BW=16.6MiB/s (17.4MB/s)(1024MiB/61568msec)
slat (usec): min=2, max=2566, avg= 4.29, stdev=21.76
clat (usec): min=228, max=407360, avg=15024.30, stdev=20524.39
lat (usec): min=243, max=407363, avg=15029.12, stdev=20524.26
clat percentiles (usec):
| 1.00th=[ 498], 5.00th=[ 1020], 10.00th=[ 1319], 20.00th=[ 1713],
| 30.00th=[ 1991], 40.00th=[ 2212], 50.00th=[ 2540], 60.00th=[ 2933],
| 70.00th=[ 5407], 80.00th=[ 44303], 90.00th=[ 45351], 95.00th=[ 45876],
| 99.00th=[ 46924], 99.50th=[ 46924], 99.90th=[ 48497], 99.95th=[ 49021],
| 99.99th=[404751]
bw ( KiB/s): min= 8208, max=18832, per=99.85%, avg=17005.35, stdev=998.94, samples=123
iops : min= 2052, max= 4708, avg=4251.30, stdev=249.74, samples=123
lat (usec) : 250=0.01%, 500=1.03%, 750=1.69%, 1000=2.07%
lat (msec) : 2=25.64%, 4=37.58%, 10=2.08%, 20=0.02%, 50=29.86%
lat (msec) : 100=0.01%, 500=0.02%
cpu : usr=1.02%, sys=2.97%, ctx=33312, majf=0, minf=75
IO depths : 1=0.1%, 2=0.1%, 4=0.1%, 8=0.1%, 16=0.1%, 32=0.1%, >=64=100.0%
submit : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
complete : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.1%, >=64=0.0%
issued rwt: total=262144,0,0, short=0,0,0, dropped=0,0,0
latency : target=0, window=0, percentile=100.00%, depth=64
Run status group 0 (all jobs):
READ: bw=16.6MiB/s (17.4MB/s), 16.6MiB/s-16.6MiB/s (17.4MB/s-17.4MB/s), io=1024MiB (1074MB), run=61568-61568msec
Disk stats (read/write):
sdb: ios=261897/0, merge=0/0, ticks=3912108/0, in_queue=3474336, util=90.09%
I/O 延迟（latency）：slat、clat、lat。
- slat ，是指从 I/O 提交到实际执行 I/O 的时长（Submission latency）；
- clat ，是指从 I/O 提交到 I/O 完成的时长（Completion latency）；
- lat ，指的是从 fio 创建 I/O 到 I/O 完成的总时长。
对于同步 I/O 来说，由于 I/O 提交和 I/O 完成是一个动作，所以 slat 实际上就是 I/O 完成的时间，而 clat 是 0。对于异步 I/O（libaio），lat 近似等于 slat + clat 之和。
bw ，代表吞吐量
iops ，代表每秒 I/O 的次数
精确的模拟应用程序的 I/O 模式（读写并行、每次的 I/O 大小也不一定相同等情况下）：blktrace + fio 的组合使用。
# 使用 blktrace 跟踪磁盘 I/O，注意指定应用程序正在操作的磁盘
$ blktrace /dev/sdb
# 查看 blktrace 记录的结果
# ls
sdb.blktrace.0 sdb.blktrace.1
# 将结果转化为二进制文件
$ blkparse sdb -d sdb.bin
# 使用 fio 重放日志
$ fio --name=replay --filename=/dev/sdb --direct=1 --read_iolog=sdb.bin
2.1 应用程序优化
（1）可以用追加写（顺序写）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，并且推荐采用自身方式缓存数据，而不是利用系统缓存；另一方面，也能降低其他应用程序使用缓存对自身的影响。
如：C 标准库的 fopen、fread 等库函数，都会利用标准库的缓存，减少磁盘的操作；而使用 open、read 等系统调用时，就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。
2.2 文件系统优化
（1）你可以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。
比如， 使用 tune2fs 这个工具，可以调整文件系统的特性（tune2fs 也常用来查看文件系统超级块的内容）。 而通过 /etc/fstab ，或者 mount 命令行参数，我们可以调整文件系统的日志模式和挂载选项等。
（3）可以优化文件系统的缓存。
比如，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）。
再如，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。
2.3 磁盘优化
（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）我们可以使用 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。
比如，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）我们可以对应用程序的数据，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）在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。① 调整内核选项 /sys/block/sdb/queue/read_ahead_kb，默认大小是 128 KB，单位为 KB。② 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）磁盘本身可能出现硬件错误，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。
比如，你可以查看 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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