Linux文件系统、磁盘IO具体是怎么工作的

同 CPU、内存一样,文件系统和磁盘 I/O,也是 Linux 操作系统最核心的功能。

  • 磁盘为系统提供了最基本的持久化存储。
  • 文件系统则在磁盘基础上,提供了一个用来管理文件的树状结构。

文件系统

1. 索引节点和目录项

Linux 中的一切都由统一的文件系统来管理,包括普通的文件和目录,以及块设备、套接字、管道等。Linux 文件系统为每个文件都分配了两个数据结构,索引节点(index node)和目录项(directory entry),主要用来记录文件的元信息和目录结构。

  • 索引节点,简称为 inode,用来记录文件的元数据,比如 inode 编号、文件大小、访问权限、修改日期、数据的位置等。索引节点和文件一一对应,它跟文件内容一样会被持久化到磁盘,所以,索引节点同样占磁盘。
  • 目录项,简称为 dentry,用来记录的文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的关联关系。多个关联的目录项,就构成了文件系统的目录结构,它是由内核维护的一个内存数据结构,通常也被称为目录项缓存。

换句话说,索引节点是每个文件的唯一标志,目录项维护的是文件系统的树状结构。目录项和索引节点的关系是多对一,或者可理解为一个文件多个别名。举个例子,通过硬链接为文件创建的别名,就会对应不同目录项,这些目录项本质上是连接同一个文件,所以索引节点相同。

更具体地说,文件数据是怎么存储的,是直接保存到磁盘的?实际上磁盘读写的最小单位是扇区,扇区只有 512B 大小,如果每次读写这么小的单位,效率一定很低。所以,文件系统又把连续的扇区组成逻辑块,再以逻辑块为最小单元去管理数据。常见的逻辑块大小是 4KB,即连续的 8 个扇区。下面展示一张示意图:

图片[1]-Linux文件系统、磁盘IO具体是怎么工作的-不念博客
文件系统

这里需要注意两点:

第一,目录项本身在内存中,索引节点在磁盘中。前面的 Buffer 和 Cache 原理中提到,为了协调慢速磁盘和快速 CPU 之间的性能差异,文件内容会缓存到页缓存 Cache 中。索引节点自然也会缓存到内存中,增加速文件访问。

第二,磁盘在执行文件系统格式化时,会被分成三个存储区域,超级块、索引节点区 和 数据块区。其中,超级块存储整个文件系统状态;索引节点区存储索引节点;数据块区,存储文件数据。

2. 虚拟文件系统

目录项、索引节点、超级块、逻辑块构成 Linux 文件系统四大基本要素。不过,为了支持各种不同的文件系统,Linux 内核在用户进程和文件系统中间,引入了一个抽象层,即虚拟文件系统 VFS。VFS 定义了一套所有文件系统都支持的数据结构和标准接口。这样,用户层和内核其他子系统都只需要跟 VFS 提供的统一接口交互就可以了,不需要关心底层各种文件系统的实现细节。下图很好展示了 Linux 文件系统的架构图,能更好的帮助理解系统调用、VFS、缓存、文件系统以及块存储之间的关系:

图片[2]-Linux文件系统、磁盘IO具体是怎么工作的-不念博客
虚拟文件系统

从图中可以看到,在 VFS 下面 Linux 可以支持各种文件系统,按照存储位置的不同,可以分为三类:

  • 基于磁盘的文件系统,也就是把数据直接存储到计算机本地挂载的磁盘中。如 EXT4、XFS、OverlayFS 等。
  • 基于内存的文件系统,也就是虚拟文件系统,不需要磁盘分配任何存储空间,只占用内存。如 /proc 文件系统、/sys 文件系统(主要向用户空间导出层次化的内核对象)。
  • 网络文件系统,用来访问其他计算机数据的文件系统,如 NFS、SMB、iSCSI 等。

这些文件系统,要先挂载到 VFS 目录树中的子目录(挂载点),然后才能访问其中文件。比如安装系统时,要先挂在一个根目录( / ),在根目录下,再把其他文件系统挂在进来。

3. 文件系统 I/O

把文件挂到挂载点后,就能通过它去访问它管理的文件了。VFS 提供的访问文件的标准接口,以系统调用的方式提供给应用程序使用。比如,cat 命令,相继调用 open()、read()、write()。文件读写方式的各种差异,也导致 I/O 的分类多种多样。常见的有,缓冲与非缓冲 I/O、直接与非直接 I/O、阻塞与非阻塞 I/O、同步与异步 I/O 等。下面详细解释下这四种 I/O 分类:

第一种,根据是否利用标准库缓存,可以把文件 I/O 分为 缓冲 I/O 和 非缓冲 I/O。这里的 “缓冲”,其实指的是标准库内部实现的缓存。例如,很多程序遇到换行时才真正输出,换行前的内容,就是被标准库暂时缓存起来。因此,缓冲 I/O 指的是利用标准库缓存来加速文件的访问,在标准库内部再通过系统调用访问文件;非缓冲 I/O 指的是直接通过系统调用访问文件,而不通过标准库缓存。无论是缓冲还是非缓冲 I/O,最后都是通过系统调用访问文件。而根据前面内容,系统调用后,还通过页缓存,来减少磁盘 I/O 操作。

第二种,根据是否利用操作系统的页缓存,可以把文件 I/O 分为直接 I/O 和 非直接 I/O。想要实现直接 I/O,需要在系统调用中指定标志 O_DIRECT,如果不指定,默认是非直接 I/O。不过注意,这里的直接、非直接 I/O,其实最终还是和文件系统交互。如果实在数据库等场景中,还会看到,跳过文件系统读写磁盘的情况,即裸 I/O。

第三种,根据应用程序是否阻塞自身运行,可以把文件 I/O 分为阻塞 I/O 和 非阻塞 I/O。在应用程序执行 I/O 操作后,如果没获得响应,就阻塞当前线程,自然不能执行其他任务,这是阻塞 I/O;如果没获得响应,却不阻塞当前线程,继续执行其他任务,随后通过轮询或者时间通知的形式,获得之前调用的结果。比如,访问管道或者网络套接字时,设置 O_NONBLOCK 标志,表示非阻塞方式访问,若不做任何设置,默认就是阻塞方式访问。

第四种,根据是否等待响应结果,可以把文件 I/O 分为同步 I/O 和 异步 I/O。在应用程序执行 I/O 操作后,如果一直等到 整个 I/O 完成后才获得响应,就是同步 I/O;如果不等待 I/O 完成以及完成后的响应,继续往下执行,等到 I/O 完成后,响应会用事件通知的方式,告诉应用程序。比如,在操作文件时,如果设置了 O_SYNC 或 O_DSYNC 标志,就代表同步 I/O,后者是等待文件数据写入磁盘后才返回,而前者是在后者基础上,要求文件元数据也要写入磁盘后才能返回。再比如,在访问管道或者网络套接字时,设置选项 O_ASYNC 后,就是异步 I/O 内核会通过 SIGIO 或者 SIGPOLL,来通知进程,文件是否可读写。

总之,无论是普通文件和块设备、还是网络套接字和管道等,都通过统一的 VFS 接口来被访问。

4. 文件系统性能观测

$ df /dev/sda1 
Filesystem     1K-blocks    Used Available Use% Mounted on 
/dev/sda1       30308240 3167020  27124836  11% /
 
$ df -h /dev/sda1 
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on 
/dev/sda1        29G  3.1G   26G  11% / 
 
$ df -i /dev/sda1 
Filesystem      Inodes  IUsed   IFree IUse% Mounted on 
/dev/sda1      3870720 157460 3713260    5% /

加上 – i 参数查看索引节点的使用情况,索引节点的容量,(也就是 Inode 个数)是在格式化磁盘时设定好的,由格式化工具自动生成。当你发现索引节点空间不足时,但磁盘空间充足时,很可能是过多的小文件导致的,一般的删除它们或者移到其他的索引节点充足的磁盘上,就能解决问题。

接下来,文件系统的目录项和索引节点的缓存,如何查看呢?

实际上,内核使用 Slab 机制,管理目录项和索引节点的缓存。/proc/meminfo 只给出了 Slab 整体大小,具体到每一种 Slab 缓存,就要查看 /proc/slabinfo。运行下面命令可以得到,所有目录项和各种文件系统的索引节点的缓存情况:

$ cat /proc/slabinfo | grep -E '^#|dentry|inode' 
# name            <active_objs> <num_objs> <objsize> <objperslab> <pagesperslab> : tunables <limit> <batchcount> <sharedfactor> : slabdata <active_slabs> <num_slabs> <sharedavail> 
xfs_inode              0      0    960   17    4 : tunables    0    0    0 : slabdata      0      0      0 
... 
ext4_inode_cache   32104  34590   1088   15    4 : tunables    0    0    0 : slabdata   2306   2306      0hugetlbfs_inode_cache     13     13    624   13    2 : tunables    0    0    0 : slabdata      1      1      0 
sock_inode_cache    1190   1242    704   23    4 : tunables    0    0    0 : slabdata     54     54      0 
shmem_inode_cache   1622   2139    712   23    4 : tunables    0    0    0 : slabdata     93     93      0 
proc_inode_cache    3560   4080    680   12    2 : tunables    0    0    0 : slabdata    340    340      0 
inode_cache        25172  25818    608   13    2 : tunables    0    0    0 : slabdata   1986   1986      0 
dentry             76050 121296    192   21    1 : tunables    0    0    0 : slabdata   5776   5776      0

dentry 行表示目录项缓存,inode_cache 行,表示 VFS 索引节点缓存,其余的则是各种文件系统的缓存。这里列比较多,可查询 man slabinfo。实际性能分析时,更多使用 slabtop,来找到占用内存最多的缓存类型:

# 按下c按照缓存大小排序,按下a按照活跃对象数排序 
$ slabtop 
Active / Total Objects (% used)    : 277970 / 358914 (77.4%) 
Active / Total Slabs (% used)      : 12414 / 12414 (100.0%) 
Active / Total Caches (% used)     : 83 / 135 (61.5%) 
Active / Total Size (% used)       : 57816.88K / 73307.70K (78.9%) 
Minimum / Average / Maximum Object : 0.01K / 0.20K / 22.88K 
 
  OBJS ACTIVE  USE OBJ SIZE  SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME 
69804  23094   0%    0.19K   3324       21     13296K dentry 
16380  15854   0%    0.59K   1260       13     10080K inode_cache 
58260  55397   0%    0.13K   1942       30      7768K kernfs_node_cache 
   485    413   0%    5.69K     97        5      3104K task_struct 
  1472   1397   0%    2.00K     92       16      2944K kmalloc-2048

从这个结果可以看到,目录项和索引节点占用最多的 Slab 缓存,但其实并不大,约 23MB。

思考:find / -name file-name 命令导致会不会导致缓存升高,如果会,导致哪类缓存升高呢?

find / -name 命令是全盘扫描(包括内存文件系统、磁盘文件系统等),所以这里会导致 xfs_inode 、proc_inode_cache、dentry、 inode_cache 这几类缓存的升高,而且在下次执行 find 命令时,就会快很多,因为它大部分会直接在缓存中查找结果。这里你可以在执行 find 命令前后,比较 slabtop、free、vmstat 输出结果,又会有更深的理解。

磁盘 I/O

1. 磁盘

首先,根据存储介质的不同,可以分为两类,机械磁盘 和 固态磁盘。

机械磁盘:也称为硬盘驱动器(Hard Disk Driver,缩写 HDD),机械磁盘由盘片和读写磁头组成,数据存储在盘片的环状磁道中,最小读写单位 扇区,一般大小为 512B。在读写数据时,需要移动磁头,定位到数据所在的盘片磁道中,然后才访问数据。如果 I/O 请求刚好连续,那就不需要磁道寻址,可获得最佳性能,这就是顺序 I/O 的工作原理。随机 I/O,需要不停地移动磁头,来定位数据位置,读写速度比较慢。

固态磁盘:Solid State Driver,缩写 SSD,由固态电子元器件组成,最小读写单位 页,一般大小 4KB、8KB 等。固态磁盘不需要磁道寻址,不管是连续 I/O,还是随机 I/O 的性能,都比机械磁盘好得多。

另外,相同磁盘的顺序 I/O 都要比 随机 I/O 快得多,原因如下:

  • 对于机械磁盘来说,随机 I/O 需要更多的磁头寻道和盘片旋转,性能比顺序 I/O 慢。
  • 对于固态盘来说,虽然随机 I/O 性能比机械盘好很多,但是它也会有 “先擦除、再写入” 的限制。随机读写也有大量的垃圾回收,所以还是会比顺序 I/O 慢很多。
  • 另外,顺序 I/O 可以通过预读的方式,来减少 I/O 请求的次数,这也是其性能优异的原因之一。

在上一节提到过,如果每次都读写 512B 数据,效率会很低。文件系统会把连续的扇区或页组成逻辑块,作为最小单元管理数据,常见的逻辑块是 4KB,即连续的 8 个扇区,或者一个页。

其次,还可以按照接口来分类,可以把硬盘分为 IDE、SCSI、SAS、SATA、FC 等。不同的接口,分配不同的设备名称。比如 IDE 的会分配一个前缀为 hd 的设备名,SCSI 和 SATA 会分配一个 sd 前缀的设备名。如果是多块同类型的磁盘,会按照 a、b、c 等字母顺序编号。

第三,还可以根据使用方式,将磁盘划分为不同架构。最简单的就是,作为独立磁盘来使用。然后再根据需要,将磁盘划分成多个逻辑分区,再给分区编号。比如前面多次用到的 /dev/sda,还可以分成两个分区 /dev/sda1 和 /dev/sda2。另一个比较常用的架构是,将多块磁盘组成一个逻辑磁盘,构成冗余独立 的磁盘阵列,RAID,提高数据访问性能,增强数据存储的可靠性。

根据容量、性能、可靠性的不同,RAID 可以分为多个级别,如 RAID0、RAID1、RAID5、RAID10 等。RAID0 有最优的读写性能,但不提供数据冗余的功能,其他级别的 RAID,在数据冗余的基础上,对读写性能有一定的优化。

最后一种架构,把磁盘组合成网络存储集群,再通过 NFS、SMB、iSCSI 等网络存储协议,暴露给服务器使用。

其实,在 Linux 下,磁盘是作为块设备来管理的,也就是以块为单位来读写数据,且支持随机读写。每个块设备都被赋予主、次两个设备号,主设备号用在驱动程序中区别设备类型,次设备号用来给多个同类设备编号。

2. 通用块层

为了减少不同块设备的差异带来的影响,Linux 通过一个统一的通用块层,来管理各种不同的块设备。通用块层其实是处在文件系统和磁盘驱动中间的一个块设备抽象层。有两个功能:

第一个跟虚拟文件系统的功能类似。向上,为文件系统和应用程序,提供访问块设备的标准接口;向下,把各种异构的磁盘设备抽象成统一的块设备,并提供统一框架来管理这些设备的驱动程序。

第二个功能,通用块层还给文件系统和应用程序发来的 I/O 请求排队,并通过请求排队、合并等,提高磁盘读写的效率。

对 I/O 请求排序也是 I/O 调度。事实上,Linux 内核支持四种 I/O 调度算法,NONE、NOOP、CFQ、DeadLine。

NONE:确切的说并不能算调度,因为它完全不使用任何调度器,对文件系统和应用程序的 I/O 不作任何处理,常用在虚拟机中(此时磁盘 I/O 调度完全由物理机支持)。

NOOP:最简单的一种调度算法,是一个先进先出的队列,只做一些最基本的请求合并,常用于 SSD 盘。

CFQ:完全公平调度器,是现在很多发行版的默认 I/O 调度器。它为每个进程维护了一个 I/O 调度队列,并按时间片来均匀分布每个进程的 I/O 请求。类似于进程的 CPU 调度,CFQ 调度还支持进程 I/O 的优先级调度,所以适用运行着大量进程的系统,像桌面环境、多媒体应用等。

DeadLine:分别为读、写请求创建不同的 I/O 队列,可以提高机械磁盘的吞吐量,并确保达到最终期限的请求被优先处理。这种调度算法 多用在 I/O 压力比较大的场合,如数据库等。

3. I/O 栈

结合上面讲的文件系统、磁盘和通用块层的工作原理,我们可以整体来看 Linux 存储系统的 I/O 原理了。事实上,我们可以把 Linux 存储系统的 I/O 栈,由上至下分为三层:文件系统层、通用块层、设备层。看图:

图片[3]-Linux文件系统、磁盘IO具体是怎么工作的-不念博客
全景图

根据这张全景图,我们可以更清楚理解,存储系统的 I/O 的工作原理:

  • 文件系统层,包括虚拟文件系统和其他各种文件系统的具体实现。首先为上层的应用程序提供标准的文件访问接口,对下会通过通用块层,来存储和管理磁盘数据。
  • 通用块层,是 Linux 磁盘 I/O 的核心,包括设备 I/O 队列和 I/O 调度器。会对文件系统的 I/O 请求进行排队,再通过重新排序和请求合并,再发给下一级设备层。
  • 设备层,包括存储设备和相应的驱动程序,负责最终物理设备的 I/O 操作。

存储系统的 I/O,通常是整个 Linux 系统中最慢的一环。所以,Linux 通过多种缓存机制来优化 I/O 效率。比如,为了优化文件访问性能,会使用页缓存、索引节点缓存、目录项缓存等多种缓存机制,减少对下层块设备的直接调用。同样,为了优化块设备的访问性能,会使用缓冲区,来缓存块设备的数据。

4. 磁盘性能指标以及观测

这里说一下常见的五个指标,使用率、饱和度、IOPS、吞吐量以及响应时间等,这五个指标是衡量磁盘性能的基本指标。

  • 使用率,是指磁盘处理 I/O 的时间百分比。过高的使用率(如超过 80%),通常意味着磁盘 I/O 的性能瓶颈。
  • 饱和度,磁盘处理 I/O 的繁忙程度,过高的饱和度,意味着磁盘存在严重的性能瓶颈。当达到 100% 时,磁盘就无法接受新的 I/O 请求。
  • IOPS,每秒的 I/O 请求数。
  • 吞吐量,每秒的 I/O 请求大小。
  • 响应时间,从发出请求到收到响应的时间间隔。

注意,使用率只考虑有没有 I/O,而不考虑 I/O 大小,即使达到 100%,也有可能接受新的 I/O 请求。在数据库、大量小文件等这类随机读写比较多的场景中,IOPS 更能反应系统整体性能。在多媒体等顺序读写较多的场景中,吞吐量更能反应系统整体性能。

一般来说,我们在为应用程序的服务器选型时,要先对磁盘 I/O 的性能进行基准测试,推荐的性能测试工具 fio,来测试磁盘的 IOPS,吞吐量以及响应时间等核心指标。用性能工具得到的指标,作为后续分析应用程序的性能依据。一旦发生性能问题,就可以把它们作为磁盘性能的极限值,进而评估磁盘 I/O 的使用情况。

接下来看看怎么观测磁盘 I/O?首推的工具 iostat,它提供每个磁盘的使用率、IOPS、吞吐量等各种常见的性能指标,当然这些指标来自 /proc/diskstats。iostats 的输出界面如下:

# -d -x表示显示所有磁盘I/O的指标
$ iostat -d -x 1 
Device            r/s     w/s     rkB/s     wkB/s   rrqm/s   wrqm/s  %rrqm  %wrqm r_await w_await aqu-sz rareq-sz wareq-sz  svctm  %util 
loop0            0.00    0.00      0.00      0.00     0.00     0.00   0.00   0.00    0.00    0.00   0.00     0.00     0.00   0.00   0.00 
loop1            0.00    0.00      0.00      0.00     0.00     0.00   0.00   0.00    0.00    0.00   0.00     0.00     0.00   0.00   0.00 
sda              0.00    0.00      0.00      0.00     0.00     0.00   0.00   0.00    0.00    0.00   0.00     0.00     0.00   0.00   0.00 
sdb              0.00    0.00      0.00      0.00     0.00     0.00   0.00   0.00    0.00    0.00   0.00     0.00

下图说明了这些列的具体含义:

图片[4]-Linux文件系统、磁盘IO具体是怎么工作的-不念博客
iostat指标解读

这些指标,你要注意,%util 磁盘使用率,r/s + w/s IOPS,rkB/s + wkB/s 吞吐量, r_await + w_await 响应时间。另外从 iostat 并不能直接得到磁盘的饱和度,但是可以把观测到的,平均请求队列长度 或者 读写请求完成的等待时间,跟基准测试的结果进行对比,综合来评估。

我们再来看看,每个进程的 I/O 情况。iostat 只能看到磁盘整体的 I/O 性能数据,并不能知道具体哪些进程 在进行磁盘读写,推荐两个工具:pidstat 和 iotop。具体使用这里略过。

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