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容易被誤讀的iostat(Linux系統)

日期:2017/3/1 17:28:40   编辑:Linux技術

iostat主要用於報告中央處理器(CPU)統計信息和整個系統、適配器、tty 設備、磁盤和 CD-ROM 的輸入/輸出統計信息,下面小編就為大家具體的講解Linux系統中容易被誤讀的IOSTAT。

iostat(1)是在Linux系統上查看I/O性能最基本的工具,然而對於那些熟悉其它UNIX系統的人來說它是很容易被誤讀的。比如在HP-UX上 avserv(相當於Linux上的 svctm)是最重要的I/O指標,反映了硬盤設備的性能,它是指I/O請求從SCSI層發出、到I/O完成之後返回SCSI層所消耗的時間,不包括在SCSI隊列中的等待時間,所以avserv體現了硬盤設備處理I/O的速度,又被稱為disk service time,如果avserv很大,那麼肯定是硬件出問題了。然而Linux上svctm的含義截然不同,事實上在iostat(1)和sar(1)的man page上都說了不要相信svctm,該指標將被廢棄:

“Warning! Do not trust this field any more. This field will be removed in a future sysstat version.”

在Linux上,每個I/O的平均耗時是用await表示的,但它不能反映硬盤設備的性能,因為await不僅包括硬盤設備處理I/O的時間,還包括了在隊列中等待的時間。I/O請求在隊列中的時候尚未發送給硬盤設備,即隊列中的等待時間不是硬盤設備消耗的,所以說await體現不了硬盤設備的速度,內核的問題比如I/O調度器什麼的也有可能導致await變大。那麼有沒有哪個指標可以衡量硬盤設備的性能呢?非常遺憾的是,iostat(1)和sar(1)都沒有,這是因為它們所依賴的/proc/diskstats不提供這項數據。要真正理解iostat的輸出結果,應該從理解/proc/diskstats開始。

# cat /proc/diskstats
   8       0 sda 239219 1806 37281259 2513275 904326 88832 50268824 26816609 0 4753060 29329105
   8       1 sda1 338 0 53241 6959 154 0 5496 3724 0 6337 10683
   8       2 sda2 238695 1797 37226458 2504489 620322 88832 50263328 25266599 0 3297988 27770221
   8      16 sdb 1009117 481 1011773 127319 0 0 0 0 0 126604 126604
   8      17 sdb1 1008792 480 1010929 127078 0 0 0 0 0 126363 126363
 253       0 dm-0 1005 0 8040 15137 30146 0 241168 2490230 0 30911 2505369
 253       1 dm-1 192791 0 35500457 2376087 359162 0 44095600 22949466 0 2312433 25325563
 253       2 dm-2 47132 0 1717329 183565 496207 0 5926560 7348763 0 2517753 7532688

/proc/diskstats有11個字段,以下內核文檔解釋了它們的含義https://www.kernel.org/doc/Documentation/iostats.txt,我重新表述了一下,注意除了字段#9之外都是累計值,從系統啟動之後一直累加:

(rd_ios)讀操作的次數。(rd_merges)合並讀操作的次數。如果兩個讀操作讀取相鄰的數據塊時,可以被合並成一個,以提高效率。合並的操作通常是I/O scheduler(也叫elevator)負責的。(rd_sectors)讀取的扇區數量。(rd_ticks)讀操作消耗的時間(以毫秒為單位)。每個讀操作從__make_request()開始計時,到end_that_request_last()為止,包括了在隊列中等待的時間。(wr_ios)寫操作的次數。(wr_merges)合並寫操作的次數。(wr_sectors)寫入的扇區數量。(wr_ticks)寫操作消耗的時間(以毫秒為單位)。(in_flight)當前未完成的I/O數量。在I/O請求進入隊列時該值加1,在I/O結束時該值減1。

注意:是I/O請求進入隊列時,而不是提交給硬盤設備時。(io_ticks)該設備用於處理I/O的自然時間(wall-clock time)。

請注意io_ticks與rd_ticks(字段#4)和wr_ticks(字段#8)的區別,rd_ticks和wr_ticks是把每一個I/O所消耗的時間累加在一起,因為硬盤設備通常可以並行處理多個I/O,所以rd_ticks和wr_ticks往往會比自然時間大。而io_ticks表示該設備有I/O(即非空閒)的時間,不考慮I/O有多少,只考慮有沒有。在實際計算時,字段#9(in_flight)不為零的時候io_ticks保持計時,字段#9(in_flight)為零的時候io_ticks停止計時。(time_in_queue)對字段#10(io_ticks)的加權值。字段#10(io_ticks)是自然時間,不考慮當前有幾個I/O,而time_in_queue是用當前的I/O數量(即字段#9 in-flight)乘以自然時間。雖然該字段的名稱是time_in_queue,但並不真的只是在隊列中的時間,其中還包含了硬盤處理I/O的時間。iostat在計算avgqu-sz時會用到這個字段。

iostat(1)是以/proc/diskstats為基礎計算出來的,因為/proc/diskstats並未把隊列等待時間和硬盤處理時間分開,所以凡是以它為基礎的工具都不可能分別提供disk service time以及與queue有關的值。

注:下面的公式中“Δ”表示兩次取樣之間的差值,“Δt”表示采樣周期。

r/s:每秒讀操作的次數=[Δrd_ios/Δt]r/s:每秒讀操作的次數=[Δwr_ios/Δt]tps:每秒I/O次數=[(Δrd_ios+Δwr_ios)/Δt]rkB/s:每秒讀取的千字節數=[Δrd_sectors/Δt]*[512/1024]wkB/s:每秒寫入的千字節數=[Δwr_sectors/Δt]*[512/1024]rrqm/s:每秒合並讀操作的次數=[Δrd_merges/Δt]wrqm/s:每秒合並寫操作的次數=[Δwr_merges/Δt]avgrq-sz:每個I/O的平均扇區數=[Δrd_sectors+Δwr_sectors]/[Δrd_ios+Δwr_ios]avgqu-sz:隊列裡的平均I/O請求數量=[Δtime_in_queue/Δt]

(更恰當的理解應該是平均未完成的I/O請求數量。)await:每個I/O平均所需的時間=[Δrd_ticks+Δwr_ticks]/[Δrd_ios+Δwr_ios]

不僅包括硬盤設備處理I/O的時間,還包括了在kernel隊列中等待的時間。r_await:每個讀操作平均所需的時間=[Δrd_ticks/Δrd_ios]

不僅包括硬盤設備讀操作的時間,還包括了在kernel隊列中等待的時間。w_await:每個寫操作平均所需的時間=[Δwr_ticks/Δwr_ios]

不僅包括硬盤設備寫操作的時間,還包括了在kernel隊列中等待的時間。%util:該硬盤設備的繁忙比率=[Δio_ticks/Δt]

表示該設備有I/O(即非空閒)的時間比率,不考慮I/O有多少,只考慮有沒有。svctm:已被廢棄的指標,沒什麼意義,svctm=[util/tput]

對iostat(1)的恰當解讀有助於正確地分析問題,我們結合實際案例進一步討論。

關於rrqm/s和wrqm/s

前面講過,如果兩個I/O操作發生在相鄰的數據塊時,它們可以被合並成一個,以提高效率,合並的操作通常是I/O scheduler(也叫elevator)負責的。

以下案例對許多硬盤設備執行同樣的壓力測試,結果惟有sdb比其它硬盤都更快一些,可是硬盤型號都一樣,為什麼sdb的表現不一樣?

可以看到其它硬盤的rrqm/s都為0,而sdb不是,就是說發生了I/O合並,所以效率更高,r/s和rMB/s都更高,我們知道I/O合並是內核的I/O scheduler(elevator)負責的,於是檢查了sdb的/sys/block/sdb/queue/scheduler,發現它與別的硬盤用了不同的I/O scheduler,所以表現也不一樣。

%util與硬盤設備飽和度

%util表示該設備有I/O(即非空閒)的時間比率,不考慮I/O有多少,只考慮有沒有。由於現代硬盤設備都有並行處理多個I/O請求的能力,所以%util即使達到100%也不意味著設備飽和了。舉個簡化的例子:某硬盤處理單個I/O需要0.1秒,有能力同時處理10個I/O請求,那麼當10個I/O請求依次順序提交的時候,需要1秒才能全部完成,在1秒的采樣周期裡%util達到100%;而如果10個I/O請求一次性提交的話,0.1秒就全部完成,在1秒的采樣周期裡%util只有10%。可見,即使%util高達100%,硬盤也仍然有可能還有余力處理更多的I/O請求,即沒有達到飽和狀態。那麼iostat(1)有沒有哪個指標可以衡量硬盤設備的飽和程度呢?很遺憾,沒有。

await多大才算有問題

await是單個I/O所消耗的時間,包括硬盤設備處理I/O的時間和I/O請求在kernel隊列中等待的時間,正常情況下隊列等待時間可以忽略不計,姑且把await當作衡量硬盤速度的指標吧,那麼多大算是正常呢?

對於SSD,從0.0x毫秒到1.x毫秒不等,具體看產品手冊;

對於機械硬盤,可以參考以下文檔中的計算方法:

http://101.96.10.61/cseweb.ucsd.edu/classes/wi01/cse102/sol2.pdf

大致來說一萬轉的機械硬盤是8.38毫秒,包括尋道時間、旋轉延遲、傳輸時間。

在實踐中,要根據應用場景來判斷await是否正常,如果I/O模式很隨機、I/O負載比較高,會導致磁頭亂跑,尋道時間長,那麼相應地await要估算得大一些;如果I/O模式是順序讀寫,只有單一進程產生I/O負載,那麼尋道時間和旋轉延遲都可以忽略不計,主要考慮傳輸時間,相應地await就應該很小,甚至不到1毫秒。在以下實例中,await是7.50毫秒,似乎並不大,但考慮到這是一個dd測試,屬於順序讀操作,而且只有單一任務在該硬盤上,這裡的await應該不到1毫秒才算正常:

Device:         rrqm/s   wrqm/s     r/s     w/s   rsec/s   wsec/s avgrq-sz avgqu-sz   await  svctm  %util
sdg               0.00     0.00  133.00    0.00  2128.00     0.00    16.00     1.00    7.50   7.49  99.60

對磁盤陣列來說,因為有硬件緩存,寫操作不等落盤就算完成,所以寫操作的service time大大加快了,如果磁盤陣列的寫操作不在一兩個毫秒以內就算慢的了;讀操作則未必,不在緩存中的數據仍然需要讀取物理硬盤,單個小數據塊的讀取速度跟單盤差不多

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