如何监测 Linux 的磁盘 I/O 性能

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在我之前的文章：《探讨 Linux 的磁盘 I/O》中，我谈到了 Linux 磁盘 I/O 的工作原理，我们了解到 Linux 存储系统 I/O 栈由 文件系统层（file system layer）、通用块层（general block layer）和 设备层（device layer）构成。

其中，通用块层 是 Linux 磁盘 I/O 的核心。向上，它为访问文件系统和应用程序的块设备提供了标准接口；向下，它将各种异构磁盘设备抽象为一个统一的块设备，并响应文件系统和应用程序发送的 I/O。

在本文中，我们来看看磁盘的性能指标以及如何查看这些指标。

Linux 磁盘性能指标

在衡量磁盘性能时，我们经常提到五个常见指标：利用率、饱和度、IOPS、吞吐量和响应时间。这五个指标是衡量磁盘性能的基本指标。

利用率（Utilization）：磁盘处理 I/O 的时间百分比。过度使用（如超过 80%）通常意味着磁盘 I/O 存在性能瓶颈。
饱和度（Saturation）：指磁盘处理 I/O 的繁忙程度。过度饱和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）：指每秒 I/O 请求的数量。
吞吐量（Throughput）：每秒 I/O 请求的大小。
响应时间（Response time）：指发送 I/O 请求和接收响应之间的间隔时间。

这里需要注意的是，关于利用率，我们只考虑有无 I/O，而不考虑 I/O 的大小。也就是说，当利用率为 100% 时，磁盘仍有可能接受新的 I/O 请求。

一般来说，在为应用选择服务器时，首先要对磁盘的 I/O 性能进行基准测试，这样才能准确评估磁盘性能，以判断是否能够满足应用的需求。

当然，这需要你在 随机读 、 顺序读 、 随机写 、 顺序写 等各种应用场景下测试不同 I/O 大小（通常是 512B ~ 1MB 之间）的性能。

磁盘 I/O 观察

首先要观察的是每个磁盘的使用情况。iostat 是最常用的磁盘 I/O 性能观察工具。它提供了各种常用性能指标，例如每个磁盘的 利用率 、IOPS 和 吞吐量。当然，这些指标实际上来自 /proc/diskstats。

以下是 iostat 的输出示例：

如何监测 Linux 的磁盘 I/O 性能

在上述指标中，您需要注意的是：

%util 是我们前面提到的磁盘 I/O 使用情况
r/s 和 w/s 是 IOPS
rkB/s 和 wkB/s 是吞吐量
r_await 和 w_await 是响应时间

您可能已经注意到 iostat 不能直接获取磁盘的饱和度。事实上，通常没有什么简单的方法可以测量饱和度。但是，您可以将观察到的 平均请求队列长度 或完成读写请求的等待时间 与基准测试（例如通过 fio）的结果进行比较，以综合评估磁盘饱和度。

进程 I/O 观察

除了每个磁盘的 I/O 情况，每个进程的 I/O 情况也是大家关注的重点。

上面提到的 iostat 只提供了观察磁盘的整体 I/O 性能数据。缺点是无法知道哪些进程正在读写磁盘。要观察进程的 I/O，还可以使用 pidstat 和 iotop 工具。

例如，要使用 pidstat

如何监测 Linux 的磁盘 I/O 性能

从 pidstat 的输出可以看出，它可以实时查看每个进程的 I/O 情况，这包括以下内容：

用户 ID (UID) 和进程 ID (PID)。
每秒读取的数据大小 (kB_rd/s)，以 KB 为单位。
每秒发出的写请求数据的大小（kB_wr/s），单位为 KB。
每秒取消写入请求的数据大小 (kB_ccwr/s)，以 KB 为单位。
块 I/O 延迟 (iodelay)，包括等待同步块（synchronized block）I/O 和换入块（swap-in block）I/O 完成的时间，以 时钟周期 为单位。