Linux下的IO监控与分析

近期要在公司内部做个Linux IO方面的培训, 整理下手头的资料给大家分享下

                                各种IO监视工具在Linux IO 体系结构中的位置 

                                源自 Linux Performance and Tuning Guidelines.pdf

1 系统级IO监控

iostat

　　iostat -xdm 1    # 个人习惯

%util         代表磁盘繁忙程度。100% 表示磁盘繁忙, 0%表示磁盘空闲。但是注意,磁盘繁忙不代表磁盘(带宽)利用率高  

argrq-sz    提交给驱动层的IO请求大小,一般不小于4K,不大于max(readahead_kb, max_sectors_kb)

                可用于判断当前的IO模式,一般情况下,尤其是磁盘繁忙时, 越大代表顺序,越小代表随机

svctm        一次IO请求的服务时间,对于单块盘,完全随机读时,基本在7ms左右,既寻道+旋转延迟时间

注: 各统计量之间关系

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%util = ( r/s  +  w/s) * svctm / 1000                        # 队列长度 =  到达率     *  平均服务时间                    
avgrq-sz = ( rMB/s + wMB/s) * 2048 / (r/s  + w/s)    # 2048 为 1M / 512

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总结:

iostat 统计的是通用块层经过合并(rrqm/s, wrqm/s)后,直接向设备提交的IO数据,可以反映系统整体的IO状况,但是有以下2个缺点:

1  距离业务层比较遥远,跟代码中的write,read不对应(由于系统预读 + pagecache + IO调度算法等因素, 也很难对应)

2  是系统级,没办法精确到进程,比如只能告诉你现在磁盘很忙,但是没办法告诉你是谁在忙,在忙什么？

2 进程级IO监控

  iotop 和 pidstat (仅rhel6u系列)

iotop    顾名思义, io版的top

pidstat 顾名思义, 统计进程(pid)的stat,进程的stat自然包括进程的IO状况

这两个命令,都可以按进程统计IO状况,因此可以回答你以下二个问题

1. 1.  当前系统哪些进程在占用IO,百分比是多少?
   2.  占用IO的进程是在读?还是在写?读写量是多少?

pidstat 参数很多,仅给出几个个人习惯

       pidstat -d  1                  #只显示IO

       pidstat -u -r -d -t 1        # -d IO 信息,

                                           # -r 缺页及内存信息
                                           # -u CPU使用率
                                           # -t 以线程为统计单位
                                           # 1  1秒统计一次

iotop, 很简单,直接敲命令

  block_dump, iodump

iotop   和 pidstat 用着很爽,但两者都依赖于/proc/pid/io文件导出的统计信息, 这个对于老一些的内核是没有的,比如rhel5u2

因此只好用以上2个穷人版命令来替代:

echo 1 > /proc/sys/vm/block_dump     # 开启block_dump,此时会把io信息输入到dmesg中

                                                        # 源码: submit_bio@ll_rw_blk.c:3213

watch -n 1 "dmesg -c | grep -oP "w+(d+): (WRITE|READ)" | sort | uniq -c"

                                                         # 不停的dmesg -c

echo 0 > /proc/sys/vm/block_dump      # 不用时关闭

 

也可以使用现成的脚本 iodump, 具体参见 http://code.google.com/p/maatkit/source/browse/trunk/util/iodump?r=5389

 

  iotop.stp

systemtap脚本,一看就知道是iotop命令的穷人复制版,需要安装Systemtap, 默认每隔5秒输出一次信息

stap iotop.stp                                     #  examples/io/iotop.stp

总结

进程级IO监控 ，

1.  可以回答系统级IO监控不能回答的2个问题
2.  距离业务层相对较近(例如,可以统计进程的读写量)

但是也没有办法跟业务层的read,write联系在一起,同时颗粒度较粗,没有办法告诉你,当前进程读写了哪些文件? 耗时? 大小 ？ 

3 业务级IO监控

    ioprofile

    ioprofile 命令本质上是 lsof + strace, 具体下载可见 http://code.google.com/p/maatkit/

    ioprofile 可以回答你以下三个问题:

    1  当前进程某时间内,在业务层面读写了哪些文件(read, write)？

    2  读写次数是多少?(read, write的调用次数)

    3  读写数据量多少?(read, write的byte数)

    假设某个行为会触发程序一次IO动作,例如: "一个页面点击,导致后台读取A,B,C文件"

============================================

    ./io_event   # 假设模拟一次IO行为,读取A文件一次, B文件500次, C文件500次

    ioprofile  -p  `pidof  io_event` -c count   # 读写次数

    ioprofile  -p  `pidof  io_event` -c times   # 读写耗时

    ioprofile  -p  `pidof  io_event` -c sizes    # 读写大小

    注: ioprofile 仅支持多线程程序,对单线程程序不支持. 对于单线程程序的IO业务级分析,strace足以。

    总结:

        ioprofile本质上是strace,因此可以看到read,write的调用轨迹,可以做业务层的io分析(mmap方式无能为力)

4 文件级IO监控

       文件级IO监控可以配合/补充"业务级和进程级"IO分析

       文件级IO分析,主要针对单个文件, 回答当前哪些进程正在对某个文件进行读写操作.

       1 lsof   或者  ls /proc/pid/fd

       2 inodewatch.stp

lsof  告诉你 当前文件由哪些进程打开

lsof ../io   #  io目录 当前由 bash 和 lsof 两个进程打开

lsof 命令 只能回答静态的信息, 并且"打开" 并不一定"读取", 对于 cat ,echo这样的命令, 打开和读取都是瞬间的,lsof很难捕捉

可以用 inodewatch.stp 来弥补

stap inodewatch.stp major minor inode      # 主设备号, 辅设备号, 文件inode节点号

stap  inodewatch.stp  0xfd 0x00 523170    # 主设备号, 辅设备号, inode号,可以通过 stat 命令获得

5 IO模拟器

   iotest.py     # 见附录

   开发人员可以 利用 ioprofile (或者 strace) 做详细分析系统的IO路径,然后在程序层面做相应的优化。

   但是一般情况下调整程序,代价比较大,尤其是当不确定修改方案到底能不能有效时,最好有某种模拟途径以快速验证。

   以为我们的业务为例，发现某次查询时,系统的IO访问模式如下:

   访问了A文件一次

   访问了B文件500次, 每次16字节,   平均间隔 502K

   访问了C文件500次, 每次200字节, 平均间隔 4M

   这里 B,C文件是交错访问的, 既

   1 先访问B,读16字节,

   2 再访问C,读200字节,

   3 回到B,跳502K后再读16字节,

   4 回到C,跳4M后,再读200字节

   5 重复500次

strace 文件如下:

一个简单朴素的想法, 将B,C交错读,改成先批量读B , 再批量读C,因此调整strace 文件如下:

将调整后的strace文件, 作为输入交给 iotest.py, iotest.py 按照 strace 文件中的访问模式, 模拟相应的IO

iotest.py -s io.strace -f fmap

fmap 为映射文件,将strace中的222,333等fd,映射到实际的文件中

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111 = /opt/work/io/A.data
222 = /opt/work/io/B.data
333 = /opt/work/io/C.data
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6 磁盘碎片整理

 一句话: 只要磁盘容量不常年保持80%以上,基本上不用担心碎片问题。

如果实在担心,可以用 defrag 脚本

7 其他IO相关命令

blockdev 系列

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blockdev --getbsz /dev/sdc1             # 查看sdc1盘的块大小

block blockdev --getra /dev/sdc1      # 查看sdc1盘的预读(readahead_kb)大小

blockdev --setra 256 /dev/sdc1         # 设置sdc1盘的预读(readahead_kb)大小,低版的内核通过/sys设置,有时会失败,不如blockdev靠谱

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附录 iotest.py

#! /usr/bin/env python
# -*- coding: gbk -*-
import os
import re
import timeit 
from ctypes import CDLL, create_string_buffer, c_ulong, c_longlong
from optparse import OptionParser

usage = '''%prog -s strace.log -f fileno.map '''

_glibc = None
_glibc_pread  = None
_c_char_buf   = None

_open_file = []

def getlines(filename):
    _lines = []
    with open(filename,'r') as _f:
        for line in _f:
            if line.strip() != "":
                _lines.append(line.strip())
    return _lines
    


def parsecmdline():
    parser = OptionParser(usage)
    parser.add_option("-s", "--strace", dest="strace_filename",
                      help="strace file", metavar="FILE")
                      
    parser.add_option("-f", "--fileno", dest="fileno_filename",
                      help="fileno file",  metavar="FILE")
                 
    (options, args) = parser.parse_args()
    if options.strace_filename is None: parser.error("strace is not specified.")
    if not os.path.exists(options.strace_filename): parser.error("strace file does not exist.")
    
    if options.fileno_filename is None: parser.error("fileno is not specified.")
    if not os.path.exists(options.strace_filename): parser.error("fileno file does not exist.")
    
    return options.strace_filename, options.fileno_filename
    
# [type, ...]
#   [pread, fno, count, offset]
# pread(15, "", 4348, 140156928)
def parse_strace(filename):
    lines = getlines(filename)
    
    action = []
    _regex_str = r'(pread|pread64)[^d]*(d+),s*[^,]*,s*([dkKmM*+-. ]*),s*([dkKmM*+-. ]*)'
    for i in lines:
        _match = re.match(_regex_str, i)
        if _match is None: continue         # 跳过无效行
        _type, _fn, _count, _off = _match.group(1), _match.group(2), _match.group(3), _match.group(4)
        _off   = _off.replace('k', " * 1024 ").replace('K', " * 1024 ").replace('m', " * 1048576 ").replace('M', " * 1048576 ")
        _count = _count.replace('k', " * 1024 ").replace('K', " * 1024 ").replace('m', " * 1048576 ").replace('M', " * 1048576 ")
        #print _off
        action.append([_type, _fn, str(int(eval(_count))), str(int(eval(_off))) ])
    
    return action
    
def parse_fileno(filename):
    lines = getlines(filename)
    fmap = {}
    for i in lines:
        if i.strip().startswith("#"): continue      # 注释行
        _split = [j.strip() for j in i.split("=")]
        if len(_split) != 2: continue               # 无效行
        fno, fname = _split[0], _split[1]
        fmap[fno] = fname
    return fmap
    
def simulate_before(strace, fmap):
    global _open_file, _c_char_buf
    rfmap = {}
    for i in fmap.values():
        _f = open(i, "r+b")
        #print "open {0}:{1}".format(_f.fileno(), i)
        _open_file.append(_f)
        rfmap[i] = str(_f.fileno())       # 反向映射
    
    to_read = 4 * 1024                    # 默认4K buf
    for i in strace:
        i[1] = rfmap[fmap[i[1]]]     # fid -> fname -> fid 映射转换
        to_read = max(to_read, int(i[2]))
    #print "read buffer len: %d Byte" % to_read
    _c_char_buf = create_string_buffer(to_read)
    
    
    
def simulate_after():
    global _open_file
    for _f in _open_file:
        _f.close()
    
def simulate(actions):

    #timeit.time.sleep(10)        # 休息2秒钟, 以便IO间隔
    
    start = timeit.time.time()
    
    for act in actions:
        __simulate__(act)
        
    finish = timeit.time.time()
    
    return finish - start
    
def __simulate__(act):
    global _glibc, _glibc_pread, _c_char_buf
    
    if "pread" in act[0]:
        _fno   = int(act[1])
        _buf   = _c_char_buf
        _count = c_ulong(int(act[2]))
        _off   = c_longlong(int(act[3]))
       
        _glibc_pread(_fno, _buf, _count, _off)
        
        #print _glibc.time(None)
    else:
        pass
    pass

def loadlibc():
    global _glibc, _glibc_pread
    _glibc = CDLL("libc.so.6")
    _glibc_pread = _glibc.pread64
    
if __name__ == "__main__":
    
    _strace, _fileno = parsecmdline()  # 解析命令行参数
    
    loadlibc()                         # 加载动态库
    
    _action = parse_strace(_strace)    # 解析 action 文件
    
    _fmap   = parse_fileno(_fileno)    # 解析 文件名映射 文件
    
    simulate_before(_action, _fmap)    # 预处理
    #print "total io operate: %d" % (len(_action))
    
    #for act in _action: print " ".join(act)
    print "%f" % simulate(_action)