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Linux系統(tǒng)磁盤(pán)順序?qū)?、隨機(jī)寫(xiě)

隨機(jī)和順序讀寫(xiě)，是存儲(chǔ)器的兩種輸入輸出方式，隨機(jī)讀寫(xiě)占用空間多，但速度快，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而順序讀寫(xiě)速度慢，空間小，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，下面為大家詳細(xì)講解一下Linux系統(tǒng)磁盤(pán)順序?qū)?、隨機(jī)寫(xiě)。

一、前言

● 隨機(jī)寫(xiě)會(huì)導(dǎo)致磁頭不停地?fù)Q道，造成效率的極大降低；順序?qū)懘蓬^幾乎不用換道，或者換道的時(shí)間很短 ● 本文來(lái)討論一下兩者具體的差別以及相應(yīng)的內(nèi)核調(diào)用

二、環(huán)境準(zhǔn)備

組件

版本

OS Ubuntu 16.04.4 LTS fio 2.2.10

三、fio介紹

通過(guò)fio測(cè)試，能夠反映在讀寫(xiě)中的狀態(tài)，我們需要重點(diǎn)關(guān)注fio的輸出報(bào)告中的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)： slat ：是指從 I/O 提交到實(shí)際執(zhí)行 I/O 的時(shí)長(zhǎng)（Submission latency） clat ：是指從 I/O 提交到 I/O 完成的時(shí)長(zhǎng)（Completion latency） lat ：指的是從 fio 創(chuàng)建 I/O 到 I/O 完成的總時(shí)長(zhǎng) bw ：吞吐量 iops ：每秒 I/O 的次數(shù)

四、同步寫(xiě)測(cè)試

（1）同步隨機(jī)寫(xiě)

主要采用fio作為測(cè)試工具，為了能夠看到系統(tǒng)調(diào)用，使用strace工具，命令看起來(lái)是這樣：

先來(lái)測(cè)試一個(gè)隨機(jī)寫(xiě)

strace -f -tt -o /tmp/randwrite.log -D fio -name=randwrite -rw=randwrite \
-direct=1 -bs=4k -size=1G -numjobs=1  -group_reporting -filename=/tmp/test.db

提取關(guān)鍵信息

root@wilson-ubuntu:~# strace -f -tt -o /tmp/randwrite.log -D fio -name=randwrite -rw=randwrite \
> -direct=1 -bs=4k -size=1G -numjobs=1  -group_reporting -filename=/tmp/test.db
randwrite: (g=0): rw=randwrite, bs=4K-4K/4K-4K/4K-4K, ioengine=sync, iodepth=1
fio-2.2.10
Starting 1 process
...
randwrite: (groupid=0, jobs=1): err= 0: pid=26882: Wed Aug 14 10:39:02 2019
 write: io=1024.0MB, bw=52526KB/s, iops=13131, runt= 19963msec
   clat (usec): min=42, max=18620, avg=56.15, stdev=164.79
    lat (usec): min=42, max=18620, avg=56.39, stdev=164.79
...
   bw (KB  /s): min=50648, max=55208, per=99.96%, avg=52506.03, stdev=1055.83
...

Run status group 0 (all jobs):
 WRITE: io=1024.0MB, aggrb=52525KB/s, minb=52525KB/s, maxb=52525KB/s, mint=19963msec, maxt=19963msec

Disk stats (read/write):
...
 sda: ios=0/262177, merge=0/25, ticks=0/7500, in_queue=7476, util=36.05%

列出了我們需要重點(diǎn)關(guān)注的信息： （1）clat ，平均時(shí)長(zhǎng)56ms左右 （2）lat ，平均時(shí)長(zhǎng)56ms左右 （3）bw ，吞吐量，大概在52M左右

再來(lái)看內(nèi)核調(diào)用信息：

root@wilson-ubuntu:~# more /tmp/randwrite.log
...
26882 10:38:41.919904 lseek(3, 665198592, SEEK_SET) = 665198592
26882 10:38:41.919920 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\200\36\31\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
26882 10:38:41.919969 lseek(3, 4313088, SEEK_SET) = 4313088
26882 10:38:41.919985 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\200\36\31\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
26882 10:38:41.920032 lseek(3, 455880704, SEEK_SET) = 455880704
26882 10:38:41.920048 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\200\36\31\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
26882 10:38:41.920096 lseek(3, 338862080, SEEK_SET) = 338862080
26882 10:38:41.920112 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\2402\24\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
26882 10:38:41.920161 lseek(3, 739086336, SEEK_SET) = 739086336
26882 10:38:41.920177 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\2402\24\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
26882 10:38:41.920229 lseek(3, 848175104, SEEK_SET) = 848175104
26882 10:38:41.920245 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\2402\24\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
26882 10:38:41.920296 lseek(3, 1060147200, SEEK_SET) = 1060147200
26882 10:38:41.920312 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\2402\24\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
26882 10:38:41.920362 lseek(3, 863690752, SEEK_SET) = 863690752
26882 10:38:41.920377 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\2402\24\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
26882 10:38:41.920428 lseek(3, 279457792, SEEK_SET) = 279457792
26882 10:38:41.920444 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\2402\24\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
26882 10:38:41.920492 lseek(3, 271794176, SEEK_SET) = 271794176
26882 10:38:41.920508 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\2402\24\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
26882 10:38:41.920558 lseek(3, 1067864064, SEEK_SET) = 1067864064
26882 10:38:41.920573 write(3, "\220\240@\6\371\341\277>\0\2402\24\0\0\0\0\202\2\7\320\343\6H\26P\340\277\370\330\30e\30"..., 4096) = 4096
...

隨機(jī)讀每一次寫(xiě)入之前都要通過(guò)lseek去定位當(dāng)前的文件偏移量

同步順序?qū)?/p>

用剛才的方法來(lái)測(cè)試順序?qū)?/p>

root@wilson-ubuntu:~# strace -f -tt -o /tmp/write.log -D fio -name=write -rw=write \
-direct=1 -bs=4k -size=1G -numjobs=1  -group_reporting -filename=/tmp/test.db
write: (g=0): rw=write, bs=4K-4K/4K-4K/4K-4K, ioengine=sync, iodepth=1
fio-2.2.10
Starting 1 process
Jobs: 1 (f=1): [W(1)] [100.0% done] [0KB/70432KB/0KB /s] [0/17.7K/0 iops] [eta 00m:00s]
write: (groupid=0, jobs=1): err= 0: pid=27005: Wed Aug 14 10:53:02 2019
 write: io=1024.0MB, bw=70238KB/s, iops=17559, runt= 14929msec
   clat (usec): min=43, max=7464, avg=55.95, stdev=56.24
    lat (usec): min=43, max=7465, avg=56.15, stdev=56.25
...
   bw (KB  /s): min=67304, max=72008, per=99.98%, avg=70225.38, stdev=1266.88
...

Run status group 0 (all jobs):
 WRITE: io=1024.0MB, aggrb=70237KB/s, minb=70237KB/s, maxb=70237KB/s, mint=14929msec, maxt=14929msec

Disk stats (read/write):
...
 sda: ios=0/262162, merge=0/10, ticks=0/6948, in_queue=6932, util=46.49%

可以看到： 吞吐量提升至70M左右

再來(lái)看一下內(nèi)核調(diào)用：

root@wilson-ubuntu:~# more /tmp/write.log
...
27046 10:54:28.194508 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\360\t\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.194568 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.194627 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.194687 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.194747 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.194807 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.194868 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.194928 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.194988 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195049 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195110 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195197 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195262 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195330 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195426 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195497 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195567 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195637 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195704 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195757 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195807 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195859 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195910 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.195961 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196012 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196062 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0\220\24\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196112 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0 \26\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196162 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0 \26\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196213 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0 \26\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196265 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0 \26\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196314 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0 \26\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196363 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0 \26\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196414 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0 \26\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196472 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0 \26\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196524 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0 \26\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
27046 10:54:28.196573 write(3, "\0\0\23\0\0\0\0\0\0\300\16\0\0\0\0\0\0 \26\0\0\0\0\0\0\320\17\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
...

由于順序讀，不需要反復(fù)定位文件偏移量，所以能夠?qū)Ｗ⒂趯?xiě)操作

五、slat指標(biāo)

從上面的測(cè)試，我們?cè)趂io的測(cè)試報(bào)告中，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)slat的身影，那是由于上述都是同步操作，對(duì)同步 I/O 來(lái)說(shuō)，由于 I/O 提交和 I/O 完成是一個(gè)動(dòng)作，所以 slat 實(shí)際上就是 I/O 完成的時(shí)間

異步順序?qū)懀瑢⑼巾樞驅(qū)懙拿钐砑?ioengine=libaio：

root@wilson-ubuntu:~# fio -name=write -rw=write -ioengine=libaio -direct=1 -bs=4k -size=1G -numjobs=1  -group_reporting -filename=/tmp/test.db
write: (g=0): rw=write, bs=4K-4K/4K-4K/4K-4K, ioengine=libaio, iodepth=1
fio-2.2.10
Starting 1 process
Jobs: 1 (f=1): [W(1)] [100.0% done] [0KB/119.3MB/0KB /s] [0/30.6K/0 iops] [eta 00m:00s]
write: (groupid=0, jobs=1): err= 0: pid=27258: Wed Aug 14 11:14:36 2019
 write: io=1024.0MB, bw=120443KB/s, iops=30110, runt=  8706msec
   slat (usec): min=3, max=70, avg= 4.31, stdev= 1.56
   clat (usec): min=0, max=8967, avg=28.13, stdev=55.68
    lat (usec): min=22, max=8976, avg=32.53, stdev=55.72
...
   bw (KB  /s): min=118480, max=122880, per=100.00%, avg=120467.29, stdev=1525.68
...

Run status group 0 (all jobs):
 WRITE: io=1024.0MB, aggrb=120442KB/s, minb=120442KB/s, maxb=120442KB/s, mint=8706msec, maxt=8706msec

Disk stats (read/write):
...
 sda: ios=0/262147, merge=0/1, ticks=0/6576, in_queue=6568, util=74.32%

可以看到，slat指標(biāo)出現(xiàn)，lat 近似等于 slat + clat 之和（avg平均值）；并且換成異步io之后，吞吐量得到了極大的提升，120M左右

六、總結(jié)

● fio應(yīng)該作為磁盤(pán)的baseline工具，拿到機(jī)器（物理機(jī)或者云機(jī)器）都應(yīng)該第一時(shí)間對(duì)機(jī)器的磁盤(pán)做一個(gè)基線(xiàn)測(cè)試，做到心中有數(shù) ● 本文所有的測(cè)試，都是繞開(kāi)了緩存，在實(shí)際應(yīng)用中需要將緩存的影響考慮進(jìn)去


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