Linux 后盾开发必知的 I/O 优化常识总结

chai77

来自：SegmentFault，作者：维子 链接：http://segmentfault.com/a/十一90000021388785


IO机能关于一个零碎的影响是相当首要的。一个零碎通过多项优化当前，瓶颈往往落在数据库；而数据库通过多种优化当前，瓶颈终究会落到IO。而IO机能的开展，显著后进于CPU的开展。Memchached也好，NoSql也好，这些盛行技术的面前都在间接或者直接地躲避IO瓶颈，从而进步零碎机能 一、IO 零碎的分层


上图档次对比多，但总的就是三部份。磁盘（存储）、VM（卷办理）和文件零碎。专着名词欠好了解，打个比喻说：磁盘就至关于一块待用的旷地；LVM至关于旷地上的围墙（把旷地划分红多个部份）；文件零碎则至关于每块旷地上建的楼房（抉择了有多少房间、屋宇编号如何，能包容多少人住）；而房子外面住的人，则至关于零碎外面存的数据。 1.1 文件零碎—数据如何寄放？ 对应了上图的File System和Buffer Cache。 File System（文件零碎）：解决了空间办理的问题，即：数据如何寄放、读取。 Buffer Cache：解决数据缓冲的问题。对读，进行cache，即：缓存常常要用到的数据；对写，进行buffer，缓冲一定数据当前，一次性进行写入。 1.2 VM—磁盘空间缺乏了怎么办？ 对应上图的Vol Mgmt。 VM其实跟IO没有必定分割。他是处于文件零碎和磁盘（存储）两头的一层。VM屏蔽了底层磁盘对下层文件零碎的影响。当没有VM的时分，文件零碎间接使用存储上的地址空间，因此文件零碎间接受限于物理硬盘，这时候假如产生磁盘空间缺乏的状况，对运用而言将是一场恶梦，不能不新增硬盘，而后从新进行数据复制。而VM则能够完成静态扩展，而对文件零碎没有影响。此外，VM也能够把多个磁盘合并成一个磁盘，对文件零碎呈现一致的地址空间，这个特性的杀伤力显而易见。 1.3 存储—数据放在哪儿？如何拜候？如何进步IO速度？ 对应上图的Device Driver、IO Channel和Disk Device 数据终究会放在这里，因此，效力、数据平安、容灾是这里需求斟酌的问题。而进步存储的机能，则能够间接进步物理IO的机能。 1.4 Logical IO vs Physical IO 逻辑IO是操作零碎发动的IO，这个数据可能会放在磁盘上，也可能会放在内存（文件零碎的Cache）里。 物理IO是装备驱动发动的IO，这个数据终究会落在磁盘上。 逻辑IO和物理IO不是一一对应的。 二、IO 模型 这部份的货色在网络编程常常能看到，不外在一切IO处置中都是相似的。 2.1 IO申请的两个阶段 等候资源阶段：IO申请个别需求申请特殊的资源（如磁盘、RAM、文件），当资源被上一个使用者使用没有被释放时，IO申请就会被梗阻，直到可以使用这个资源。 使用资源阶段：真正进行数据接纳和产生。
2.2 在等候数据阶段，IO分为梗阻IO和非梗阻IO。
梗阻IO：资源不成历时，IO申请始终梗阻，直到反馈后果（无数据或超时）。 非梗阻IO：资源不成历时，IO申请分开前往，前往数据标识资源不成用
2.3 在使用资源阶段，IO分为同步IO和异步IO。
同步IO：运用梗阻在发送或接纳数据的形态，直到数据胜利传输或前往失败。 异步IO：运用发送或接纳数据后立刻前往，数据写入OS缓存，由OS实现数据发送或接纳，并前往胜利或失败的信息给运用。


  2.4 根据Unix的5个IO模型划分
梗阻IO
非梗阻IO
IO复用
信号驱动的IO
异步IO
从机能上看，异步IO的机能无疑是最佳的。


文件零碎各有不同，其最次要的指标就是解决磁盘空间的办理问题，同时提供高效性、平安性。假如在散布式环境下，则有相应的散布式文件零碎。Linux上有ext系列，Windows上有Fat和NTFS。如图为一个linux下文件零碎的构造。 其中VFS（Virtual File System）是Linux Kernel文件零碎的一个模块，简略看就是一个Adapter，对下屏蔽了上层不同文件零碎之间的差别，对上为操作零碎提供了一致的接口. 两头部份为各个不同文件零碎的完成。 再往下是Buffer Cache和Driver。


各种文件零碎完成形式不同，因此机能、办理性、牢靠性等也有所不同。上面为Linux Ext2（Ext3）的一个大抵文件零碎的构造。


Boot Block寄放了疏导顺序。 Super Block寄放了全部文件零碎的一些全局参数，如：卷名、形态、块大小、块总数。他在文件零碎被mount时读入内存，在umount时被释放。


上图形容了Ext2文件零碎中很首要的三个数据构造和他们之间的瓜葛。 Inode：Inode是文件零碎中最首要的一个构造。如图，他外面记载了文件相干的一切信息，也就是咱们常说的meta信息。包罗：文件类型、权限、一切者、大小、atime等。Inode外面也保留了指向实际文件内容信息的索引。其中这类索引分几类：
间接索引：间接指向实际内容信息，私有十二个。因此假如，一个文件零碎block size为1k，那末间接索引到的内容最大为十二k直接索引两级直接索引三级直接索引如图：


Directory代表了文件零碎中的目录，包罗了以后目录中的一切Inode信息。其中每行只要两个信息，一个是文件名，一个是其对应的Inode。需求留意，Directory不是文件零碎中的一个特殊构造，他实际上也是一个文件，有本人的Inode，而它的文件内容信息外面，包罗了下面看到的那些文件名和Inode的对应瓜葛。如下图：


Data Block即寄放文件的时间内容块。Data Block大小必需为磁盘的数据块大小的整数倍，磁盘个别为5十二字节，因此Data Block个别为1K、2K、4K。 Buffer & Cache 虽然Buffer和Cache放在一同了，然而在实际过程当中Buffer和Cache是彻底不同了。Buffer个别关于写而言，也叫“缓冲区”，缓冲使很多个小的数据块可以合并成一个大数据块，一次性写入；Cache个别关于读并且，也叫“缓存”，防止频繁的磁盘读取。如图为Linux的free命令，其中也是把Buffer和Cache进行区别，这两部份都算在了free的内存。


Buffer Cache Buffer Cache中的缓存，实质与一切的缓存都是同样，数据构造也是相似，下图为VxSF的一个Buffer Cache构造。


这个数据构造与memcached和Oracle SGA的buffer何等类似。左边的hash chain实现数据块的寻址，上方的的链表记载了数据块的形态。
Buffer vs Direct I/O 文件零碎的Buffer和Cache在某些状况下的确进步了速度，然而反之也会带来一些负面影响。一方面文件零碎减少了一个两头层，此外一方面，当Cache使用不妥、配置欠好或者有些业务无奈获得cache带来的益处时，cache则成了一种担负。 合适Cache的业务：串行的大数据量业务，如：NFS、FTP。 不合适Cache的业务：随机IO的业务。如：Oracle，小文件读取。 块装备、字符装备、裸装备 这几个货色看得很晕，找了一些材料也没有找到很精确的阐明。 从硬件装备的角度来看，
块装备就是以块（好比磁盘扇区）为单位收发数据的装备，它们反对缓冲和随机拜候（不用程序读取块，而是能够在任什么时候候拜候任何块）等特性。块装备包罗硬盘、CD-ROM 和 RAM 盘。字符装备则没有能够进行物理寻址的媒体。字符装备包罗串行端口和磁带装备，只能逐字符地读取这些装备中的数据。从操作零碎的角度看（对应操作零碎的装备文件类型的b和c），# ls -l /dev/*lv  brw------- 1 root system 22, 2 May 15 2007 lv  crw------- 2 root system 22, 2 May 15 2007 rlv块装备能反对缓冲和随机读写。即读取和写入时，能够是恣意长度的数据。最小为1byte。对块装备，你能够胜利履行以下命令：dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1 count=1。即：在装备中写入一个字节。硬件装备是不反对这样的操作的（最小是5十二），这个时分，操作零碎首先实现一个读取（如1K，操作零碎最小的读写单位，为硬件装备反对的数据块的整数倍），再更改这1k上的数据，而后写入装备。
字符装备只能反对固定长度数据的读取和写入，这里的长度就是操作零碎能反对的最小读写单位，如1K，所以块装备的缓冲功用，这里就没有了，需求使用者本人来实现。因为读写时不通过任何缓冲区，此时履行dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1 count=1，这个命令将会犯错，由于这里的bs（block size）过小，零碎无奈反对。假如履行dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1024 count=1，则能够胜利。这里的block size有OS内核参数抉择。
如上，比拟之下，字符装备在使用更加间接，而块装备更加灵敏。文件零碎个别建设在块装备上，而为了寻求高机能，使用字符装备则是更好的选择，如Oracle的裸装备使用。


CIO就是为理解决这个问题。 并且CIO带来的机能进步直逼裸装备。 当文件零碎反对CIO并开启CIO时，CIO默许会开启文件零碎的Direct IO，即： 让IO操作不通过Buffer间接进行底层数据操作。 因为不通过数据Buffer，在文件零碎层面就无需斟酌数据统一性的问题，因此，读写操作能够并行履行。
在终究进行数据存储的时分，一切操作都会串行履行，CIO把这个事件交个了底层的driver。


LVM（逻辑卷办理），位于操作零碎和硬盘之间，LVM屏蔽了底层硬盘带来的繁杂性。 最简略的，LVM使得N块硬盘在O S看来成为一块硬盘，大大进步了零碎可用性。
LVM的引入，使得文件零碎和底层磁盘之间的瓜葛变得更加灵敏，并且更便利瓜葛。LVM有下列特征：
一致进行磁盘办理。按需调配空间，提供静态扩展。条带化（Striped）镜像（mirrored）快照（snapshot）LVM能够做静态磁盘扩展，想一想看，当零碎办理员发现运用空间缺乏时，敲两个命令就实现空间扩展，估量做梦都要笑醒：） LVM的磁盘办理形式


L VM中有几个很首要的概念：
PV（physical volume）：物理卷。在LVM中，一个PV对应就是操作零碎能看见的一块物理磁盘，或者由存储装备调配操作零碎的lun。一块磁盘独一对应一个PV，PV创立当前，阐明这块空间能够归入到LVM的办理。创立PV时，能够指定PV大小，便可以把全部磁盘的部份归入PV，而不是整个磁盘。这点在外表上看没有甚么意义，然而假如主机前面接的是存储装备的话就颇有意义了，由于存储装备调配的lun是能够静态扩展的，只要当PV能够静态扩展，这类扩展性能力向上延长。VG（volume group）：卷组。一个VG是多个PV的聚拢，简略说就是一个VG就是一个磁盘资源池。VG对上屏蔽了多个物理磁盘，下层是使历时只需斟酌空间大小的问题，而VG解决的空间的如安在多个PV上延续的问题。LV（logical volume）：逻辑卷。LV是终究可供使用卷，LV在VG中创立，有了VG，LV创立是只需斟酌空间大小等问题，对LV而言，他看到的是始终分割的地址空间，不必斟酌多块硬盘的问题。有了下面三个，LVM把单个的磁盘笼统成为了一组延续的、可随便调配的地址空间。除下面三个概念外，还有一些其余概念：PE（physical extend）: 物理扩展块。LVM在创立PV，不会按字节形式去进行空间办理。而是按PE为单位。PE为空间办理的最小单位。即：假如一个1024M的物理盘，LVM的PE为4M，那末LVM办理空间时，会根据256个PE去办理。调配时，也是根据调配了多少PE、残余多少PE斟酌。LE（logical extend）：逻辑扩展块。相似PV，LE是创立LV斟酌，当LV需求静态扩展时，每次最小的扩展单位。关于下面几个概念，无需刻意去记住，当你需求做这么一个货色时，这些概念是天然而然的。PV把物理硬盘转换成LVM中关于的逻辑（解决如何办理物理硬盘的问题），VG是PV的聚拢（解决如何组合PV的问题），LV是VG上空间的再划分（解决如何给OS使用空间的问题）；而PE、LE则是空间调配时的单位。


如图，为两块18G的磁盘组成为了一个36G的VG。 此VG上划分了3个LV。 其PE和LE都为4M。 其中LV1只用到了sda的空间，而LV2和LV3使用到了两块磁盘。
串连、条带化、镜像


串连（Concatenation）: 按程序使用磁盘，一个磁盘使用完当前使用后续的磁盘。 条带化（Striping）: 交替使用不同磁盘的空间。条带化使得IO操作能够并行，因此是进步IO机能的症结。此外，Striping也是RAID的根底。如：VG有2个PV，LV做了条带数量为2的条带化，条带大小为8K，那末当OS发动一个16K的写操作时，那末恰好这2个PV对应的磁盘能够对全部写入操作进行并行写入。


Striping带来益处有： 并发进行数据处置。读写操作能够同时发送在多个磁盘上，大大进步了机能。 Striping带来的问题：
数据残缺性的危险。Striping致使一份残缺的数据被散布到多个磁盘上，任何一个磁盘上的数据都是不残缺，也无奈进行复原。一个条带的毁坏会致使一切数据的生效。因此这个问题只能经过存储装备来补救。条带大小的设定很大水平抉择了Striping带来的益处。假如条带设置过大，一个IO操作终究仍是产生在一个磁盘上，无奈带来并行的益处；当条带设置国小，原本一次并行IO能够实现的事件会终究致使了屡次并行IO。镜像（mirror） 犹如名字。LVM提供LV镜像的功用。即当一个LV进行IO操作时，相反的操作产生在此外一个LV上。这样的功用为数据的平安性提供了反对。如图，一份数据被同时写入两个不同的PV。


使用mirror时，能够获取一些益处：
读取操作能够从两个磁盘上获得，因此读效力会更好些。数据残缺繁杂了一份，平安性更高。然而，伴有也存在一些问题:一切的写操作都会同时发送在两个磁盘上，因此实际发送的IO是申请IO的2倍因为写操作在两个磁盘上产生，因此一些残缺的写操作需求两边都实现了才算实现，带来了额定担负。在处置串行IO时，有些IO走一个磁盘，此外一些IO走此外的磁盘，一个残缺的IO申请会被打乱，LVM需求进行IO数据的合并，能力提供应下层。像一些如预读的功用，因为有了多个数据获得同道，也会存在额定的担负。


快照如其名，他保留了某一时间点磁盘的形态，然后续数据的变动不会影响快照，因此，快照是一种备份很好伎俩。 然而快照因为保留了某一时间点数据的形态，因此在数据变动时，这部份数据需求写到其余中央，跟着而往返带来一些问题。对于这块，后续存储也波及到相似的问题，前面再说。 这部份值得一说的是多门路问题。IO部份的高可用性在全部运用零碎中能够说是最症结的，运用层能够坏掉一两台机器没有问题，然而假如IO欠亨了，全部零碎都没法使用。如图为一个典型的SAN网络，从主机到磁盘，一切门路上都提供了冗余，以备产生通路间断的状况。


如上图构造，因为存在两条门路，关于存储划分的一个空间，在OS端会看到两个（两块磁盘或者两个lun）。可怕的是，OS其实不知道这两个货色对应的实际上是一块空间，假如门路再多，则OS会看到更多。仍是那句经典的话，“计算机中碰到的问题，往往能够经过减少的一个两头层来解决”，因而有了多门路软件。他提供了下列特性：
把多个映照到同一块空间的门路合并为一个提供应主机提供fail over的反对。当一条通路泛起问题时，及时切换到其余通路提供load balance的反对。即同时使用多条门路进行数据传送，发扬多门路的资源劣势，进步零碎总体带宽。Fail over的才能个别OS也可能反对，而load balance则需求与存储配合，所以需求按照存储不同配置装置不同的多通路软件。 多门路除理解决了高可用性，同时，多条门路也能够同时任务，进步零碎机能。 Raid很根底，然而在存储零碎中占领十分首要的位置，一切波及存储的书籍都会提到RAID。RAID经过磁盘冗余的形式进步了可用性和可高性，一方面减少了数据读写速度，另外一方面减少了数据的平安性。 RAID 0 对数据进行条带化。使用两个磁盘交替寄放延续数据。因此能够完成并发读写，但带来的问题是假如一个磁盘毁坏，此外一个磁盘的数据将失去意义。RAID 0至少需求2块盘。


RAID 1 对数据进行镜像。数据写入时，相反的数据同时写入两块盘。因此两个盘的数据彻底统一，假如一块盘毁坏，此外一块盘能够顶替使用，RAID 1带来了很好的牢靠性。同时读的时分，数据能够从两个盘上进行读取。然而RAID 1带来的问题就是空间的挥霍。两块盘只提供了一块盘的空间。RAID 1至少需求2块盘。


RAID 5 使用过剩的一块校验盘。数据写入时，RAID 5需求对数据进行计算，以便得出校验位。因此，在写机能上RAID 5会有损失。然而RAID 5统筹了机能和平安性。当有一块磁盘毁坏时，RAID 5能够经过其余盘上的数据对其进行恢复。


如图能够看出，右下角为p的就是校验数据。能够看到RAID 5的校验数据挨次散布在不同的盘上，这样能够防止泛起热点盘（由于一切写操作和更新操作都需求修正校验信息，假如校验都在一个盘做，会致使这个盘成为写瓶颈，从而拖累总体机能，RAID 4的问题）。RAID 5至少需求3块盘。 RAID 6


RAID 6与RAID 5相似。然而提供了两块校验盘（下图右下角为p和q的）。平安性更高，写机能更差了。RAID 0至少需求4块盘。
RAID 10（Striped mirror） RAID 10是RAID 0 和RAID 1的结合，同时统筹了两者的特征，提供了高机能，然而同时空间使用也是最大。RAID 10至少需求4块盘。 需求留意，使用RAID 10来称说其实很容易发生混杂，由于RAID 0+1和RAID 10根本上只是两个数字替换了一下地位，然而对RAID来讲就是两个不同的组成。因此，更易了解的形式是“Striped mirrors”，即：条带化后的镜像——RAID 10；或者“mirrored stripes”，即：镜像后的条带化。对比RAID 10和RAID 0+1，虽然终究都是用到了4块盘，然而在数据组织上有所不同，从而带来问题。RAID 10在可用性上是要高于RAID 0+1的：
RAID 0+1 任何一块盘毁坏，将失去冗余。如图4块盘中，右边一组毁坏一块盘，左边一组毁坏一块盘，全部盘阵将无奈使用。而RAID 10摆布各毁坏一块盘，盘阵依然能够任务。RAID 0+1 毁坏后的恢复进程会更慢。由于先通过的mirror，所以摆布两组中保留的都是残缺的数据，数据恢复时，需求残缺恢复所以数据。而RAID 10由于先条带化，因此毁坏数据当前，恢复的只是本条带的数据。如图4块盘，数据少了一半。


RAID 50
RAID 50 同RAID 10，先做条带化当前，在做RAID 5。统筹机能，同时又包管空间的利用率。RAID 50至少需求6块盘。


总结：
RAID与LVM中的条带化原理上相似，只是完成层面不同。在存储上完成的RAID个别有专门的芯片来实现，因此速度上远比LVM块。也称硬RAID。
如上引见，RAID的使用是有危险的，如RAID 0，一块盘毁坏会致使一切数据丧失。因此，在实际使用中，高机能环境会使用RAID 10，统筹机能和平安；个别状况下使用RAID 5（RAID 50），统筹空间利用率和机能；


DAS：有PATA、SATA、SAS等，次要是磁盘数据传输协定。
单台主机。在这类状况下，存储作为主机的一个或多个磁盘存在，这样局限性也是很显著的。因为受限于主机空间，一个主机只能装一块到几块硬盘，而硬盘空间时受限的，当磁盘满了当前，你不能不为主机改换更大空间的硬盘。
独立存储空间。为理解决空间的问题，因而斟酌把磁盘独立出来，因而有了DAS（Direct Attached Storage），即：直连存储。DAS就是一组磁盘的聚拢体，数据读取和写入等也都是由主机来管制。然而，随之而来，DAS又面临了一个他无奈解决的问题——存储空间的同享。接某个主机的JBOD（Just a Bunch Of Disks，磁盘组），只能这个主机使用，其余主机无奈用。因此，假如DAS解决空间了，那末他无奈解决的就是假如让空间可以在多个机器同享。由于DAS能够了解为与磁盘交互，DAS处置问题的层面相对于更低。使用协定都是跟磁盘交互的协定
独立的存储网络。为理解决同享的问题，鉴戒以太网的思想，因而有了SAN（Storage Area Network），即：存储网络。关于SAN网络，你能看到两个十分特征，一个就是光纤网络，另外一个是光纤替换机。SAN网络因为不会之间跟磁盘交互，他斟酌的更可能是数据存取的问题，因此使用的协定相对于DAS层面更高一些。光纤网络：关于存储来讲，与以太网很大的一个不同就是他对带宽的要求十分高，因此SAN网络下，光纤成了其衔接的根底。而其上的光纤协定比拟以太网协定而言，也被设计的更加简洁，机能也更高。光纤替换机：这个相似以太网，假如想要做到真实的“网络”，替换机是根底。
网络文件零碎。存储空间能够同享，那文件也是能够同享的。NAS（Network attached storage）相对于下面两个，对待问题的层面更高，NAS是在文件零碎级别对待问题。因此他面的再也不是存储空间，而是单个的文件。因此，当NAS和SAN、DAS放在一同时，很容易惹起混杂。NAS从文件的层面斟酌同享，因此NAS相干协定都是文件管制协定。NAS解决的是文件同享的问题；SAN（DAS）解决的是存储空间的问题。NAS要处置的对象是文件；SAN（DAS）要处置的是磁盘。为NAS办事的主机必需是一个残缺的主机（有OS、有文件零碎，而存储则纷歧定有，由于能够他前面又接了一个SAN网络），他斟酌的是如安在各个主机间接高效的同享文件；为SAN提供办事的是存储装备（能够是个残缺的主机，也能够是部份），它斟酌的是数据怎么散布到不同磁盘。NAS使用的协定是管制文件的（即：对文件的读写等）；SAN使用的协定是管制存储空间的（即：把多长的一串二进制写到某个地址）


如图，对NAS、SAN、DAS的组成协定进行了划分，从这里也能很明晰的看出他们之间的差异。
NAS：波及SMB协定、NFS协定，都是网络文件零碎的协定。 SAN：有FC、iSCSI、AOE，都是网络数据传输协定。 DAS：有PATA、SATA、SAS等，次要是磁盘数据传输协定。 从DAS到SAN，在到NAS，在不同层面对存储计划进行的增补，也能够看到一种从低级到初级的开展趋向。而当初咱们常看到一些散布式文件零碎（如hadoop等）、数据库的sharding等，从存储的角度来讲，则是在OS层面（运用）对数据进行存储。从这也能看到一种技术开展的趋向。 跑在以太网上的SAN SAN网络并非只能使用光纤和光纤协定，现在之所以使用FC，传输效力是一个很大的问题，然而以太网开展到明天被不停的完美、增强，带宽的问题也被不停的解决。因此，以太网上的SAN也许会成为一个趋向。


如图两个FC的SAN网络，经过FCIP完成了两个SAN网络数据在IP网络上的传输。这个时分SAN网络仍是以FC协定为根底，仍是使用光纤。 iFCP 经过iFCP形式，SAN网络由FC的SAN网络演化为IP SAN网络，全部SAN网络都基于了IP形式。然而主机和存储间接使用的仍是FC协定。只是在接入SAN网络的时分经过iFCP进行了转换


iSCSI iSCSI是对比主流的IP SAN的提供形式，并且其效力也失掉了认可。


关于iSCSI，最首要的一点就是SCSI协定。SCSI（Small Computer Systems Interface）协定是计算机外部的一个通用协定。是一组规范集，它定义了与少量装备（次要是与存储相干的装备）通讯所需的接口和协定。如图，SCSI为block device drivers之下。


从SCIS的分层来看，共分三层： 高层：提供了与OS各种装备之间的接口，完成把OS如：Linux的VFS申请转换为SCSI申请 两头层：完成高层和底层之间的转换，相似一个协定网关。 底层：实现于详细物理装备之间的交互，完成真实的数据处置。


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