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使用blktrace统计磁盘块I/O访问频率

Bean_lee Linux阅码场 2021-11-05

本文转发自:http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-4096470.html

如果我们想知道,在一段时间内,那一个磁盘块被读写的频率最高,怎么办?我问这个问题是看到taobao kernel wiki上面有这么一段话,看了我十分心痒:

通过对blktrace的输出结果进行分析,我们可以对特定时间段内发生的读、写操作的磁盘块进行I/O频次统计。结合通过将磁盘块I/O频度统计和page cache命中率统计相结合,就可以比较有效的判断服务器节点的cache使用效率。通过这套工具,CDN系统修正了一个固态硬盘上cache管理的缺陷,显著提高了I/O性能(详细信息)
    淘宝大神给了一个shell脚本解决这个问题,但是我守着代码,不知道怎么用。就研究了下blktrace和大神的代码。
    常常听淘宝的霸爷,提起blktrace。 iostat,iotop这些的工具也是统计磁盘IO的,也非常有用,但是和blktrace比,信息过于summarized,而blktrace跟踪了发生在块设备层的很多事件,简直就是整个块设备层事件的回放。
    blktrace能够trace那些事件呢?

上面这个胶片来自HP的介绍blktrace的胶片,介绍的非常好,是参考文献中一篇。
    这些事件都会被blktrace 捕捉到。由于这些事件要和kernel代码中block device的work flow一一对应,目前我的功力尚不足,所以我就不一一介绍这些事件了。
    blktrace输出的东西,不是文本,是一些特殊的格式,要想可读,需要blkparse解析blktrace的输出。
    我们看下blktrace和blkparse合作方式  

 这是一个比较典型的使用:
   blktrace -d表示monitor哪个设备,-o -表示讲输出吐出到标准输出。
   blkparse -i -  表示从标准输入获取信息,-o 表示讲解析的内容记录在blkparse.out
    我们看下输出长的什么样子:

 这个胶片非常好的介绍了各个字段的含义。主次设备号,CPU ID,sequence num,time stamp PID ,起始扇区号,进程名字比较好理解,比较难理解的是$6,$7
    $6中的GPQMDC,一堆字母,代表什么含义?$7的WR 又代表什么含义呢?
    一个一个来,对于$6,表示的是event,官方手册给了事件对应表:

那么$7是干嘛的呢  ?   
    基本上是R和W,也会出现B和S. R表示是
read操作,W表示write操作,B是barrier operation,S是synchronous operation。
    看到这个blkparse的输出,我们发现这些更像是raw data,需要我们挖掘背后的信息。btt这个工具就是一个分析输出得到更高层信息的tool,他不是我们本文的重点,我们不提他。
    回到开篇的问题,如何知道which磁盘扇区被读写的次数最多?有了blkparse的输出,我们完全可以做到这个统计:淘宝的Coly大神的shell脚本已经帮我们作了这个事情。   

root@manu-hacks:~/code/shell/blkstrace_calculator# cat cal.sh 

#!/bin/bash


TMP_DIR=".blktrace_cal"


# extend the blktrace log to "blockid R/W"

extend()

{

    awk -v max=$2 -v mod=$3 '{

        if ( NR%max==mod && $6 == "D" && (index($7, "R") || index($7, "W")) ) {

            for(i=0; i<$10; i++) {

                print $8+i" "substr($7, 1, 1);

            }

        }

    }' $1 | sort -k1 -nr > $TMP_DIR/.tmp.$1.$3

    touch $TMP_DIR/$3.ok

}


usage()

{

    echo "Usage: $1 input_log [parallel_num]"

    exit

}


rm -rf $TMP_DIR

mkdir $TMP_DIR


if [ "$1" == "" ]; then

    usage $0

fi


# does input_log exists?

if [ ! -f $1 ]; then

    echo "($1) not exists"

    exit

fi


parallel=$2


if [ "$2" == "" ]; then

    parallel=4

fi


echo "[input: $1]"


max=`expr $parallel - 1`

files=""

filename=`basename $1`


echo "[run $parallel process]"


for i in `seq 0 $max`

do

    extend $filename $parallel $i &

    files=$files" $TMP_DIR/.tmp.$filename.$i"

done

echo "processing...."


nr=0

# awk will finish if all *.ok created.

while [ $nr -ne "$parallel" ]

do

    nr=`find $TMP_DIR -maxdepth 1 -name "*.ok"|wc -l`

    echo -n "."

    sleep 1

done


echo ""

echo "merge sort"

sort -m -k1 -nr $files | uniq -c | sort -k1 -nr > tmp

total=`awk '{sum+=$1} END{print sum}' tmp`

awk -v sum=$total '{

    print $0"\t"$1*1000/sum;

}' tmp > result


echo "sort finish."


rm -rf $TMP_DIR

    这段代码是Coly大神的代码,我无意抄袭前辈,只是晚辈拿来欣赏学习,光荣属于淘宝的Coly前辈。
    先说parallel,这个是为了充分利用CPU资源,让多个CPU一起来执行extend。NR%max==mod 
将一个文件按照行分开,由多个进程分别处理之。不多讲。
    extend的含义也比较简单:

  20397704是起始扇区,+ 8表示的连续8个扇区都在本次事件之内,也就是说20397704/20397705/20397706.. 都是本次事件涉及的扇区。
    OK,我们看下cal.sh的使用及输出:

 当前目录下生成了tmp和result文件:

 我们可以看到,扇区号为454375583被访问的次数为39次,占总访问的千分之0.228744。
  
那这个扇区属于拿个文件呢?debugfs就可以来帮忙了.我们以访问27次的264753359扇区为例。扇区是512字节,我的文件系统ext4的块大小是4K,所以根据扇区可以定位的块号,debugfs根据块号,可以定位到inode,再根据inode,就可定位到filename。

 我们发现,这个文件被读写的次数最多。谁干的? lsof来帮忙?  

我们用Coly大神的脚本和blktrace/blkparse就解决了磁盘块IO访问频率的统计。如果有个别的block被频繁的读取,表示cache的替换效率不高。
    
参考文献
通过blktrace, debugfs分析磁盘IO
2  Documents/kernel team successful stories
3 Block I/O Layer Tracing: blktrace   Alan D. Brunelle

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