深入探究 iostat 命令：监控磁盘 I/O 的强大工具

iostat 命令详解：深入分析磁盘 I/O 性能监控

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iostat（I/O Statistics）是 Linux/Unix 系统中非常常用的一款性能分析工具，它可以资助用户了解系统的 CPU 利用情况、设备（尤其是磁盘）的 I/O 性能，以及文件系统的 I/O 统计数据。把握和合理利用 iostat 可以让我们更好地分析和优化系统的磁盘性能，避免 I/O 瓶颈，提升团体系统的相应速度。
本文将具体讲解 iostat 命令的利用方法，结合现实输出示例对各种指标进行具体解析，末了我们会结合异常指标来分析磁盘 I/O 性能瓶颈，展示分析过程和思绪。

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一、iostat 命令利用方法详解

1.1 根本语法

iostat 的根本语法如下：

1. iostat [选项] [时间间隔] [次数]

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• [选项]：可以用于指定输出格式或者只显示特定设备的信息。
  
• [时间隔断]：表现显示统计信息的革新频率，单位是秒。
  
• [次数]：表现在指定时间隔断内输出频频统计结果。
  

示例：

1. iostat 2 5

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这个命令每隔 2 秒革新一次数据，并输出 5 次。
1.2 常用选项

• -c：只显示 CPU 的统计信息。
  
• -d：只显示设备的 I/O 统计信息。
  
• -k：以 kB 为单位显示数据。
  
• -m：以 MB 为单位显示数据。
  
• -x：显示更具体的设备 I/O 统计信息。
  
• -p：显示设备及其分区的 I/O 统计信息。
  
• -t：输出每一行数据时显示时间戳。
  

示例：

1. iostat -x 2 5

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这个命令每隔 2 秒革新一次具体的 I/O 统计信息，并输出 5 次。

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二、iostat 命令输出示例

执行 iostat 命令的输出可以分为两大部分：

• CPU 利用率统计：显示 CPU 在用户态、系统态、空闲等差别状态下的百分比。
  
• 磁盘 I/O 统计：显示每个设备的 I/O 操作情况，包罗读写次数、数据传输量等。
  

1. $ iostat -x 2 3
3. Linux 5.4.0-42-generic (hostname)     09/29/2024     _x86_64_    (8 CPU)
5. avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle
6.            1.32    0.00    0.25    0.15    0.00   98.28
8. Device            r/s     w/s     rkB/s   wkB/s  rrqm/s  wrqm/s  r_await w_await  svctm  %util
9. sda               0.50    2.34    40.00   52.00    0.02    0.03    0.10    0.50    0.30    1.20

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2.1 CPU 利用统计部分

1. avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle
2.            1.32    0.00    0.25    0.15    0.00   98.28

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• %user：用户态（应用程序）占用的 CPU 时间百分比。
  
• %nice：以较低优先级运行的用户态进程占用的 CPU 时间百分比。
  
• %system：内核态（系统调用）占用的 CPU 时间百分比。
  
• %iowait：CPU 等候 I/O 操作完成所占的时间百分比。如果该值过高，阐明系统中有许多 I/O 操作在等候完成，可能出现 I/O 瓶颈。
  
• %steal：捏造机中被其他捏造机占用的 CPU 时间。
  
• %idle：空闲 CPU 时间百分比。当系统 CPU 大部分时间都处于空闲状态时，%idle 的值较高。
  

2.2 磁盘 I/O 统计部分

1. Device            r/s     w/s     rkB/s   wkB/s  rrqm/s  wrqm/s  r_await w_await  svctm  %util
2. sda               0.50    2.34    40.00   52.00    0.02    0.03    0.10    0.50    0.30    1.20

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• Device：设备名称，例如 sda 代表第一块磁盘。
  
• r/s：每秒读请求数（读操作的 I/O 请求数）。这表现磁盘接收到的读请求的频率。
  
• w/s：每秒写请求数（写操作的 I/O 请求数）。这表现磁盘接收到的写请求的频率。
  
• rkB/s：每秒读取的数据量（单位是 kB）。表现磁盘的读带宽。
  
• wkB/s：每秒写入的数据量（单位是 kB）。表现磁盘的写带宽。
  
• rrqm/s：每秒归并的读请求数。当多个相邻的读请求被归并成一个时，rrqm/s 会增加。这个值越高，表现系统的 I/O 调度优化效果越好。
  
• wrqm/s：每秒归并的写请求数。原理与 rrqm/s 类似。
  
• r_await：读请求的平均等候时间（毫秒）。这个值表现从发起读请求到请求完成的平均时间。
  
• w_await：写请求的平均等候时间（毫秒）。这个值表现从发起写请求到请求完成的平均时间。
  
• svctm：平均每次 I/O 操作的服务时间（毫秒）。这个值表现 I/O 操作现实在设备上执行的时间，不包罗排队时间。
  
• %util：设备利用率，表现设备有多长时间处于繁忙状态。接近 100% 时，阐明磁盘的 I/O 操作已经到达了饱和。
  

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三、iostat 命令指标具体解析

3.1 CPU 相干指标

• %user：用户态程序（包罗非内核应用程序）占用的 CPU 百分比。这个值反映了系统上应用程序的盘算密集程度。如果 %user 比力高，而 %iowait 很低，阐明 CPU 的重要开销是用于盘算，而非等候 I/O 操作。
  
• %system：内核态 CPU 利用百分比。这个值高阐明系统的大量时间用于处置处罚系统调用和内核操作。例如，频繁的 I/O 操作（如网络数据包处置处罚、磁盘读写操作）会增加 %system 的比例。
  
• %iowait：I/O 等候时间百分比。该值是磁盘 I/O 瓶颈的关键指标。如果 %iowait 值较高，而磁盘的读写速率（rkB/s、wkB/s）较低，可能阐明磁盘在处置处罚大量请求，速度跟不上 CPU 的要求。这种情况下，提升磁盘性能（例如更换 SSD）可能是必要的。
  

3.2 磁盘 I/O 相干指标

• r/s、w/s：这两个指标表现磁盘接收的读/写请求的频率。如果 r/s 和 w/s 值很高，磁盘可能面临大量 I/O 压力，需要根据应用程序的需求合理评估磁盘的处置处罚本领。
  
• rkB/s、wkB/s：磁盘的读写吞吐量。如果这两个值较高，而 %util 较低，阐明磁盘性能较好，可以处置处罚高负载的 I/O 操作。如果吞吐量较低，而 %util 接近 100%，可能存在 I/O 瓶颈。
  
• await、r_await、w_await：这些指标表现 I/O 操作的等候时间。一般来说，等候时间越短，磁盘相应速度越快。如果 r_await 或 w_await 值很大，可能表现磁盘处置处罚请求较慢，需要排队等候。
  
• %util：这个指标表现磁盘的繁忙程度。如果 %util 接近 100%，表明磁盘已经接近或到达了饱和状态，需要考虑优化 I/O 调度、淘汰 I/O 压力或者增加磁盘性能。
  

3.3 其他细节

• rrqm/s、wrqm/s：这两个指标表现 I/O 请求的归并情况。当多个相邻的 I/O 请求被归并成一个时，淘汰了现实发给磁盘的 I/O 请求数，进步了系统的效率。rrqm/s 和 wrqm/s 值较高表现 I/O 调度器优化效果好。
  
• svctm：服务时间表现磁盘处置处罚请求的时间。这与 await 类似，但 svctm 只包罗请求在磁盘上执行的时间，不包罗排队等候时间。如果 svctm 较高，阐明磁盘可能存在物理层面的性能问题，例如磁盘较慢或者磁盘控制器性能有限。
  

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四、结合异常指标具体分析磁盘 I/O

在现实应用中，通过观察 iostat 输出中的关键指标，我们可以辨认和诊断系统中可能存在的 I/O 性能问题。下面枚举几种常见的异常现象以及怎样结合指标来进行分析和诊断。
4.1 CPU %iowait 异常

问题描述：

如果 iostat 输出中的 %iowait 值较高（例如超过 10%），这通常意味着系统中有大量的 I/O 操作在等候磁盘完成。这种情况可能导致团体系统的性能下降。
分析思绪：

• 检查磁盘利用率：查看磁盘的 %util 是否接近 100%。如果 %util 接近饱和，则磁盘 I/O 可能是系统性能瓶颈。此时，可以通过增加磁盘数目或利用更快速的磁盘设备（例如 SSD）来缓解。
  
• 查看 I/O 等候时间：查看 r_await 和 w_await 的值。如果这些值较高，阐明磁盘在处置处罚 I/O 请求时延迟较大。可以考虑优化应用程序的 I/O 操作，例如淘汰小块 I/O 的频繁写入。
  
• 分析 I/O 请求归并情况：查看 rrqm/s 和 wrqm/s。如果这两个值较低，阐明系统中的 I/O 请求没有很好地被归并，可能是因为 I/O 请求是随机的，而非次序的。这种情况可以通过 I/O 调度战略的调解或文件系统优化来改善。
  

解决方案：

• 如果磁盘性能是瓶颈，可以考虑升级硬件，例如利用 SSD 取代传统 HDD。
  
• 优化应用程序的 I/O 模型，例如通过缓存淘汰磁盘访问次数。
  
• 调解 I/O 调度器战略，利用适合当前应用场景的调度算法（如 noop、deadline 或 CFQ）。
  

4.2 磁盘 I/O 利用率过高

问题描述：

当 %util 恒久接近 100%，阐明磁盘处于过度繁忙状态，可能导致 I/O 请求的相应时间变慢，进而影响团体系统的性能。
分析思绪：

• 分析吞吐量：查看 rkB/s 和 wkB/s。如果磁盘的吞吐量已经接近其物理极限，而系统的 I/O 请求仍然许多，可能需要增加存储带宽或优化 I/O 模型。
  
• 检查 I/O 服务时间：查看 svctm。如果 svctm 很高，表明每个 I/O 请求的处置处罚时间较长，可能是磁盘自己性能不敷。可以考虑优化磁盘访问模式或更换更高性能的磁盘。
  
• 查看 I/O 请求数：查看 r/s 和 w/s。如果请求数较高，可以考虑在应用程序中引入缓存层，淘汰对磁盘的频繁访问。
  

解决方案：

• 优化 I/O 模型，淘汰小块随机 I/O 的发生，只管将其转换为大块次序 I/O。
  
• 增加磁盘的数目，分散 I/O 压力，或者利用 RAID 进步磁盘的并发访问本领。
  
• 利用 SSD 或 NVMe 等高性能存储设备。
  

4.3 I/O 等候时间过长

问题描述：

await、r_await 或 w_await 值较高（例如超过 10ms），阐明 I/O 请求的等候时间较长，可能导致系统相应速度变慢，尤其是在高并发场景下。
分析思绪：

• 分析 I/O 请求的类型：查看 r/s 和 w/s。如果写请求（w/s）的比例较高，可能是由于频繁的小块写操作导致了写放大效应，可以考虑优化应用程序的写操作。
  
• 检查归并情况：查看 rrqm/s 和 wrqm/s。如果这些值较低，表明 I/O 请求没有被很好地归并，可能需要通过调解 I/O 调度器或优化文件系统配置来淘汰 I/O 等候时间。
  
• 检查服务时间：查看 svctm。如果服务时间较长，阐明磁盘处置处罚每个 I/O 请求的时间较长，可以考虑增加磁盘缓存或更换更快速的磁盘设备。
  

解决方案：

• 利用 SSD 取代 HDD，尤其是在对 I/O 相应时间要求较高的场景下。
  
• 在应用层面利用缓存技术，淘汰对磁盘的直接访问。
  
• 优化 I/O 调度战略，利用适合当前场景的调度算法（如 deadline 或 noop）。
  

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五、结论

通过对 iostat 命令的深入分析和指标解析，我们可以清楚地了解系统中磁盘 I/O 的工作负载，并找出可能存在的性能瓶颈。通过分析 iostat 输出的 CPU 和磁盘相干指标，我们可以合理优化应用程序的 I/O 操作、调解 I/O 调度战略、升级存储设备，从而提升系统的团体性能。
无论是高并发服务器，还是数据库密集型应用，磁盘 I/O 都是性能优化中不可忽视的一部分。合理利用 iostat，结合其他性能分析工具，如 iotop、vmstat，我们可以全方位地监控和优化系统的性能，确保系统在高负载下依然能够稳固运行。

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