性能分析之从 IO 高定位到具体文件

概述

IO 的性能分析一直是性能分析的重点之一，分析的思路是：

在代码的逻辑清晰的情况下，是完全可以知道哪些文件是频繁读写的。但是对性能分析人员来说，通常是面对一个不是自己编写的系统，有时还是多个团队合作产生的系统。这时就会出现很多的推诿和争执。如果可以迅速地把问题到一个段具体的代码，到一个具体的文件，那就可以提高沟通的效率。

通常情况在 linux 环境下，通过 vmstat 或者 iostat 命令可以发现磁盘 IO 的异常，可以看到系统级的磁盘读写量及 CPU 占用率，但无法明确定位到是什么进程在作祟，安装 iotop 后，可以定位到进程，但并不知道改进程在操作什么文件。

核心原理

本文是考虑从系统级的工具来完成这个操作，比较具有通用性。在这之前需要先理解一下文件的一个重要的属性：inode。

什么是 inode 呢？先来看一个示意图：

磁盘上最小的存储单元是扇区 sector，每8个扇区组成一个块 block（4096字节）。如下所示：

[root@7DGroup2 ~]# tune2fs -l /dev/vda1|grep  Block
Block count:              10485504
Block size:               4096
Blocks per group:         32768
[root@7DGroup2 ~]#

文件的存储就是由这些 块组成的，当块多了之后就成了如下这样（其实磁盘上的块比这个图中多得多，这里只是示意图）：

其中红色的这部分是存储的文件，我们通常在文件系统中直接ls或者用其他命令操作文件的时候是根据路径来操作的，那些是上层的命令。当我们执行了一个命令之后，操作系统会来找到这些文件做相应的操作，怎么找到这些文件呢，那就需要 inode 了。Inode 用来存储这些文件的元信息，也就是索引节点，它包括的信息有：

• 字节数
• User ID
• Group ID
• 读、写、执行权限
• 时间戳，共有三个：ctime 指 inode 上一次变动的时间，mtime 指文件内容上一次变动的时间，atime 指文件上一次打开的时间
• 链接数，有多少文件名指向这个 inode
• 文件数据 block 的位置

通过这些信息，我们才能实现对文件的操作。这个 inode 其实也是存储在磁盘上的，也需要占用一些空间，如上图中的绿色部分所示。

当我们在系统级看到 IO 过高的时候，比如下图所示：

从上图可以看到，这系统几乎所有的 CPU 都在等 IO。这时怎么办？就用我们前面提到的分析的思路，查看进程级和线程级的 IO，进而找到具体的文件。下面我们来具体实现。

这里我们用的是 systemtap，这个工具 7Dgroup 之前的文章中提到的，但没有展开说。后面如果有可能我们再多写些类似的工具原理和使用方法。

Systemtap 的逻辑图如下：

从逻辑图上看，它工作在内核层面，不是 shell 的层面。
SystemTap 为我们开启了一扇通往系统内核的大门，SystemTap 自带的 examples 中提供一些磁盘 IO 相关的监控例子。

以 iotop.stp 为例，源码如下：

#!/usr/bin/stap
global reads, writes, total_io

probe vfs.read.return {
    reads[execname()] +=  bytes_read
}

probe vfs.write.return {
    writes[execname()] +=  bytes_written
}


# print top 10 IO processes every 5 seconds
probe timer.s(5) {
    foreach (name in writes)
        total_io[name] +=  writes[name]
    foreach (name in reads)
        total_io[name] +=  reads[name]

    printf ("%16s\t%10s\t%10s\n",  "Process", "KB Read", "KB Written")
    
    foreach (name in total_io-  limit 10)
         printf("%16s\t%10d\t%10d\n", name,
                reads[name]/1024, writes[name]/1024)

    delete reads
    delete writes
    delete total_io
    print("\n")

}

执行的结果是：每隔 5 秒打印读写总量排前 10 位的进程。

该脚本有两个问题：

1. 按照进程名字统计，存在统计误差，进程名一致，但 PID 不一样的进程，都统计到一起；

2. 我们依然不能知道进程操作了什么文件。

通过对 probe点 的分析（sudo stap -L'vfs.{write,read}'），我们可以知道，vfs.read，vfs.write 有局部变量 ino 可以利用，ino 是文件的inode，这样我们就可以明确的探测到读写量最多的进程及文件。

$ sudo stap -L 'vfs.{write,read}'
vfs.read  file:long pos:long buf:long bytes_to_read:long dev:long devname:string  ino:long name:string argstr:string $file:struct file* $buf:char*  $count:size_t $pos:loff_t*
vfs.write  file:long pos:long buf:long bytes_to_write:long dev:long devname:string  ino:long name:string argstr:string $file:struct file* $buf:char const*  $count:size_t $pos:loff_t*

扩展过的脚本如下：

#!/usr/bin/stap
global reads, writes, total_io

probe vfs.read.return {
     reads[execname(),pid(),ino] += bytes_read
}


probe vfs.write.return {
     writes[execname(),pid(),ino] += bytes_written
}


# print top 10 IO processes every 5 seconds
probe timer.s(5) {
    foreach  ([name,process,inode] in writes)
         total_io[name,process,inode] += writes[name,process,inode]
    foreach ([name,process,inode] in reads)
         total_io[name,process,inode] += reads[name,process,inode]
    printf  ("%16s\t%8s\t%8s\t%10s\t%10s\n", "Process",  "PID", "inode", "KB Read", "KB  Written")
    foreach  ([name,process,inode] in total_io- limit 10)
         printf("%16s\t%8d\t%8d\t%10d\t%10d\n", name,process,inode,
                reads[name,process,inode]/1024, writes[name,process,inode]/1024)

    delete reads
    delete writes
    delete total_io
    print("\n")
}

一个实验

我们来做个实验，执行 dd 命令来做一个高磁盘读写操作。
执行命令如下：

dd bs=64k count=4k if=/dev/zero of=test oflag=dsync

这条命令执行的效果是：dd 在执行时每次都会进行同步写入操作，每次从 /dev/zero 读取 64 k数据，然后写入当前目录下的 test 文件，一共重复 4 K次。在 linux 系统中, /dev/zero 是一个特殊的文件，当你读它的时候，它会提供无限的空字符(NULL, ASCII NUL, 0x00)。

iotop.stp 监控结果如下：

通过监控，我们知道了，PID 为 2978 的 dd 进程 读取 inode 为 1047 的文件，写入 inode 为 663624 的文件，这两个是读写最多的操作。
通常情况下，我们并不知道 inode 对应文件的位置，可以通过 find / -inum 1047 找到对应的文件。
通过 stat 命令，我们可以看到文件inode详细的描述。

$ stat /dev/zero
   文件："/dev/zero"
   大小：0           块：0          IO 块：4096   字符特殊文件
设备：5h/5d     Inode：1047        硬链接：1     设备类型：1,5
权限：(0666/crw-rw-rw-)  Uid：(    0/     root)   Gid：(    0/     root)
环境：system_u:object_r:zero_device_t:s0
最近访问：2017-05-02  10:50:03.242425632 +0800
最近更改：2017-05-02  10:50:03.242425632 +0800
最近改动：2017-05-02  10:50:03.242425632 +0800
创建时间：-

这个分析思路在任何一个系统中都可以说是能用的，只是不同的系统用的工具不同。这次用的环境是 CentOS，那在其他的系统中，只能找到相对应的其他工具了。

总结

再次强调，了解原理、理清思路是性能分析的重点。工具的使用是为了验证思路的正确性。千万不要舍本逐末。