深入理解 linux磁盘顺序写、随机写

深入理解 linux磁盘顺序写、随机写

一、前言

● 随机写会导致磁头不停地换道，造成效率的极大降低；顺序写磁头几乎不用换道，或者换道的时间很短
● 本文来讨论一下两者具体的差别以及相应的内核调用


二、环境准备

组件 版本
OS Ubuntu 16.04.4 LTS
fio 2.2.10


三、fio介绍

通过fio测试，能够反映在读写中的状态，我们需要重点关注fio的输出报告中的几个关键指标：
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
bw ：吞吐量
iops ：每秒 I/O 的次数

四、同步写测试

（1）同步随机写

主要采用fio作为测试工具，为了能够看到系统调用，使用strace工具，命令看起来是这样：

先来测试一个随机写

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

提取关键信息

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%

列出了我们需要重点关注的信息：
（1）clat ，平均时长56ms左右
（2）lat ，平均时长56ms左右
（3）bw ，吞吐量，大概在52M左右

再来看内核调用信息：

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
...

随机读每一次写入之前都要通过lseek去定位当前的文件偏移量

同步顺序写

用刚才的方法来测试顺序写

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

再来看一下内核调用：

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
...

由于顺序读，不需要反复定位文件偏移量，所以能够专注于写操作

五、slat指标

从上面的测试，我们在fio的测试报告中，并没有发现slat的身影，那是由于上述都是同步操作，对同步 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

异步顺序写，将同步顺序写的命令添加-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指标出现，lat 近似等于 slat + clat 之和（avg平均值）；并且换成异步io之后，吞吐量得到了极大的提升，120M左右

六、总结

● fio应该作为磁盘的baseline工具，拿到机器（物理机或者云机器）都应该第一时间对机器的磁盘做一个基线测试，做到心中有数
● 本文所有的测试，都是绕开了缓存，在实际应用中需要将缓存的影响考虑进去


至此，本文结束
在下才疏学浅，有撒汤漏水的，请各位不吝赐教...

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
禁止转载，如需转载请通过简信或评论联系作者。
  • 人面猴
    序言：七十年代末，一起剥皮案震惊了整个滨河市，随后出现的几起案子，更是在滨河造成了极大的恐慌，老刑警刘岩，带你破解...
    沈念sama阅读 203,937评论 6赞 478
  • 死咒
    序言：滨河连续发生了三起死亡事件，死亡现场离奇诡异，居然都是意外死亡，警方通过查阅死者的电脑和手机，发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,503评论 2赞 381
  • 救了他两次的神仙让他今天三更去死
    文/潘晓璐 我一进店门，熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来，“玉大人，你说我怎么就摊上这事。” “怎么了？”我有些...
    开封第一讲书人阅读 150,712评论 0赞 337
  • 道士缉凶录：失踪的卖姜人
    文/不坏的土叔 我叫张陵，是天一观的道长。 经常有香客问我，道长，这世上最难降的妖魔是什么？ 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,668评论 1赞 276
  • 港岛之恋（遗憾婚礼）
    正文 为了忘掉前任，我火速办了婚礼，结果婚礼上，老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己，他们只是感情好，可当我...
    茶点故事阅读 63,677评论 5赞 366
  • 恶毒庶女顶嫁案：这布局不是一般人想出来的
    文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着，像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上，一...
    开封第一讲书人阅读 48,601评论 1赞 281
  • 城市分裂传说
    那天，我揣着相机与录音，去河边找鬼。 笑死，一个胖子当着我的面吹牛，可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播，决...
    沈念sama阅读 37,975评论 3赞 396
  • 双鸳鸯连环套：你想象不到人心有多黑
    文/苍兰香墨 我猛地睁开眼，长吁一口气：“原来是场噩梦啊……” “哼！你这毒妇竟也来了？” 一声冷哼从身侧响起，我...
    开封第一讲书人阅读 36,637评论 0赞 258
  • 万荣杀人案实录
    序言：老挝万荣一对情侣失踪，失踪者是张志新（化名）和其女友刘颖，没想到半个月后，有当地人在树林里发现了一具尸体，经...
    沈念sama阅读 40,881评论 1赞 298
  • 护林员之死
    正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡，尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,621评论 2赞 321
  • 白月光启示录
    正文 我和宋清朗相恋三年，在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,710评论 1赞 329
  • 活死人
    序言：一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡，死状恐怖，灵堂内的尸体忽然破棺而出，到底是诈尸还是另有隐情，我是刑警宁泽，带...
    沈念sama阅读 33,387评论 4赞 319
  • 日本核电站爆炸内幕
    正文 年R本政府宣布，位于F岛的核电站，受9级特大地震影响，放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜，却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,971评论 3赞 307
  • 男人毒药：我在死后第九天来索命
    文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹，春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,947评论 0赞 19
  • 一桩弑父案，背后竟有这般阴谋
    文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,189评论 1赞 260
  • 情欲美人皮
    我被黑心中介骗来泰国打工， 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 44,805评论 2赞 349
  • 代替公主和亲
    正文 我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,449评论 2赞 342

推荐阅读更多精彩内容

  • drbd指南
    feisky云计算、虚拟化与Linux技术笔记posts - 1014, comments - 298, trac...
    不排版阅读 3,813评论 0赞 5
  • fio进行磁盘压力测试
    fio可以用来测试磁盘IO 常用的参数如下： filename=/dev/emcpowerb支持文件系统或者裸设备...
    pandazhong阅读 12,628评论 0赞 0
  • 使用 fio 进行 IO 性能测试
    网上关于 fio 的介绍已经太多了，要用的时候都是直接拿来就跑了，我们通常使用 fio -ioengine=li...
    siddontang阅读 37,075评论 4赞 7
  • mysql笔记(转)
    今天看到一位朋友写的mysql笔记总结，觉得写的很详细很用心，这里转载一下，供大家参考下，也希望大家能关注他原文地...
    信仰与初衷阅读 4,723评论 0赞 30
  • java optional的用法
    1optional是一个容器，可以装一个对象，或者没有对象（为空）； 2如果为空的话，用get（）方法调用就会抛异...
    面朝大海_a2b5阅读 521评论 0赞 1