利用blktrace分析磁盘I/O

blktrace对于分析block I/O是个非常好的工具，本篇文章记录了如何使用blktrace。

blktrace原理

blktrace是对通用块层（block layer）的I/O跟踪机制，它能抓取详细的I/O请求（request），发送到用户空间。

blktrace主要由3部分组成：

• 内核部分
• 记录内核到用户空间的I/O追踪信息的程序
• 分析、展示I/O追踪信息的程序

主要在block layer实现，抓取的数据通过debugfs来传递。每个被跟踪的设备都有一个在debugfs挂载目录的文件。debugfs挂载目录默认是：/sys/kernel/debug

用官方的一张图来直观的展现：

一个I/O请求进入block layer之后，可能会经历下面的过程：

• Remap: 可能被DM(Device Mapper)或MD(Multiple Device, Software RAID) remap到其它设备
• Split: 可能会因为I/O请求与扇区边界未对齐、或者size太大而被分拆(split)成多个物理I/O
• Merge: 可能会因为与其它I/O请求的物理位置相邻而合并(merge)成一个I/O
• 被I/O Scheduler依照调度策略发送给driver
• 被driver提交给硬件，经过HBA、电缆（光纤、网线等）、交换机（SAN或网络）、最后到达存储设备，设备完成I/O请求之后再把结果发回。

blktrace使用

• 安装blktrace包

  yum install blktrace

• 追踪指定设备的I/O

  [root@k8s-slave9 longterm_io] # blktrace -d /dev/sde
  ^C=== sde ===
    CPU  0:                   38 events,        2 KiB data
    CPU  1:                    1 events,        1 KiB data
    CPU  2:                  232 events,       11 KiB data
    CPU  3:                    2 events,        1 KiB data
    CPU  4:                   41 events,        2 KiB data
    ...
    Total:                   567 events (dropped 0),       27 KiB data

  -d 指定具体的设备名

  上面是抓取一段时间后，Ctrl+C中止的。也可以指定时间：-w
  blktrace执行完之后，会生产很多文件，每个CPU都会有一个文件，文件名组成：<设备名>.blktrace.，如下：

  [root@k8s-slave9 longterm_io] # ls
  sde.blktrace.0   sde.blktrace.12  sde.blktrace.16  sde.blktrace.2   sde.blktrace.23  sde.blktrace.27  sde.blktrace.30  sde.blktrace.34  sde.blktrace.38  sde.blktrace.6
  ...

  抓取IO信息，完成了第一步，我们要分析这些I/O，就需要下面的工具。

blkparse分析数据

• • 解析IO追踪信息

    blkparse是一个会把不同CPU的I/O trace文件合并，并解析、格式化输出为对用户可读友好IO信息的工具。

    先把上面生成的所有CPU I/O trace文件合并成一个文件：

    [root@k8s-slave9 longterm_io] # blkparse -i sde -d sde.blktrace.bin
    Input file sde.blktrace.0 added
    Input file sde.blktrace.1 added
    Input file sde.blktrace.2 added
    Input file sde.blktrace.3 added
    Input file sde.blktrace.4 added
    ...
    -----------------------------第一个IO开始
     8,64  35        1     0.000000000 28378  A   W 470236984 + 40 <- (8,65) 470234936
      8,64  35        2     0.000000670 28378  Q   W 470236984 + 40 [kworker /u82 :1]
      8,64  35        3     0.000005125 28378  G   W 470236984 + 40 [kworker /u82 :1]
      8,64  35        4     0.000005443 28378  P   N [kworker /u82 :1]
      8,64  35        5     0.000009123 28378  I   W 470236984 + 40 [kworker /u82 :1]
      8,64  35        6     0.000009978 28378  U   N [kworker /u82 :1] 1
      8,64  35        7     0.000010638 28378  D   W 470236984 + 40 [kworker /u82 :1]
      8,64  31        1     0.207382887     0  C   W 470236984 + 40 [0]
    -----------------------------第一个IO完成
    -----------------------------第二个IO开始
     8,64   2        1    10.239998442  4861  A FWFSM 469242512 + 2 <- (8,65) 469240464
      8,64   2        2    10.239999862  4861  Q FWFSM 469242512 + 2 [kworker /2 :0H]
      8,64   2        3    10.240004505  4861  G FWFSM 469242512 + 2 [kworker /2 :0H]
      8,64   2        4    10.240005325  4861  P   N [kworker /2 :0H]
      8,64   2        5    10.240007109  4861  I FWFSM 469242512 + 2 [kworker /2 :0H]
      8,64   2        6    10.240008795  4861  U   N [kworker /2 :0H] 1
      8,64   4        1    10.482792539     0  D WFSM 469242512 + 2 [swapper /0 ]
      8,64   8        1    10.492646670     0  C WFSM 469242512 + 2 [0]
    -----------------------------第二个IO完成
    ...
    CPU0 (sde):
     Reads Queued:           1,        8KiB     Writes Queued:           3,      172KiB
     Read Dispatches:        1,        8KiB     Write Dispatches:        3,      172KiB
     Reads Requeued:         0         Writes Requeued:         0
     Reads Completed:        1,        8KiB     Writes Completed:        3,      172KiB
     Read Merges:            0,        0KiB     Write Merges:            0,        0KiB
     Read depth:             1             Write depth:             4
     IO unplugs:             4             Timer unplugs:           0
    ...
    Total (sde):
     Reads Queued:          23,      184KiB     Writes Queued:          41,      652KiB
     Read Dispatches:       23,      184KiB     Write Dispatches:       36,      653KiB
     Reads Requeued:         0         Writes Requeued:         0
     Reads Completed:       23,      184KiB     Writes Completed:       53,      653KiB
     Read Merges:            0,        0KiB     Write Merges:            5,       91KiB
     IO unplugs:            57             Timer unplugs:           0
    
    Throughput (R /W ): 0KiB /s / 1KiB /s
    Events (sde): 500 entries
    Skips: 0 forward (0 -   0.0%)

    中间那段I/O处理阶段说明：

    第一列：设备号 主设备号，次设备号

    第二列：CPU

    第三列：顺序号

    第五列：时间戳

    第六列：PID 进程号

    第七列：具体事件

    第八列：具体的读写操作

         W：Write

         R：Read

         S：Sync

         FWF：第一个F是Flush，W还是Write，第二个F是FUA（force unit acess）

         M：Metadata

         D：Discard

         B：Barrier从抓取的I/O来看，所有I2D耗时比较长的都是FWFSM的操作。

    第九列：磁盘起始块+操作的块的数量

    第十列：进程名或具体的命令

    通过这些输出，我们就可以明确看到，每个阶段的具体耗时，就可以定位I/O慢在哪个阶段，也是需要深入的分析什么原因导致的。

     

    具体动作（或事件）的字母代表意义：

• • A	remap         对于栈式设备，进来的I/O将被重新映射到I/O栈中的具体设备
    X	split             对于做了Raid或进行了device mapper(dm)的设备，进来的IO可能需要切割，然后发送给不同的设备
    Q	queued        I/O进入block layer，将要被request代码处理（即将生成IO请求）
    G	get request  I/O请求（request）生成，为I/O分配一个request 结构体。
    M	back merge  之前已经存在的I/O request的终止block号，和该I/O的起始block号一致，就会合并。也就是向后合并
    F	front merge  之前已经存在的I/O request的起始block号，和该I/O的终止block号一致，就会合并。也就是向前合并
    I	inserted       I/O请求被插入到I/O scheduler队列
    S	sleep           没有可用的request结构体，也就是I/O满了，只能等待有request结构体完成释放
    P	plug            当一个I/O入队一个空队列时，Linux会锁住这个队列，不处理该I/O，这样做是为了等待一会，看有没有新的I/O进来，可以合并
    U	unplug       当队列中已经有I/O request时，会放开这个队列，准备向磁盘驱动发送该I/O。                    这个动作的触发条件是：超时（plug的时候，会设置超时时间）；或者是有一些I/O在队列中（多于1个I/O）
    D	issued       I/O将会被传送给磁盘驱动程序处理
    C	complete   I/O处理被磁盘处理完成。

btt分析数据

       blkparse只是将blktrace数据转成可以人工阅读的格式，由于数据量通常很大，人工分析并不轻松。btt是对blktrace数据进行自动分析的工具。

• 使用btt解析数据，查看I/O的整体情况

  [root@k8s-slave9 longterm_io] # btt -i sde.blktrace.bin
  ==================== All Devices ====================
  
              ALL           MIN           AVG           MAX           N
  --------------- ------------- ------------- ------------- -----------
  
  Q2Q               0.000002013   7.354920889  30.208019079          63
  Q2G               0.000000889   0.000003898   0.000016826          59
  G2I               0.000000591   0.000003383   0.000035937          59
  Q2M               0.000000333   0.000001295   0.000002440           5
  I2D               0.000000503   0.065649284   0.252996244          59
  M2D               0.000003840   0.000011816   0.000017717           5
  D2C               0.000128883   0.056202494   0.254664063          64
  Q2C               0.000131324   0.116730664   0.262633229          64
  
  ==================== Device Overhead ====================
  
         DEV |       Q2G       G2I       Q2M       I2D       D2C
  ---------- | --------- --------- --------- --------- ---------
   (  8, 64) |   0.0031%   0.0027%   0.0001%  51.8462%  48.1472%
  ---------- | --------- --------- --------- --------- ---------
     Overall |   0.0031%   0.0027%   0.0001%  51.8462%  48.1472%
  
  ==================== Device Merge Information ====================
  
         DEV |       #Q       #D   Ratio |   BLKmin   BLKavg   BLKmax    Total
  ---------- | -------- -------- ------- | -------- -------- -------- --------
   (  8, 64) |       64       59     1.1 |        2       28      176     1675
  ...

  第一个表的第一列是具体的I/O阶段，第二、三、四列分别是最小耗时、平均耗时、最大耗时（单位：s），第五列是I/O数。

  第二个表是对第一个表做了耗时统计，看看整个I/O阶段，哪个阶段耗时占用最多。

  第三个表是进行合并的信息，但是从内容来看，没有merge信息啊。后面有所有I/O中操作的块数量的最小值、平均值、最大值。

   

  IO处理阶段：

  Q2Q： 相邻两次进入通用块层的I/O间隔

  Q2G：I/O进入block layer到I/O请求（request）生成的时间

  G2I  ：I/O请求生成到被插入I/O请求队列（request queue）的时间

  Q2M：I/O进入block层到该I/O被和已存在的I/O请求合并的时间

  I2D  ：I/O请求进入request queue队到分发到设备驱动的时间

  M2D：I/O合并成I/O请求到分发到设备驱动的时间

  D2C：I/O分到到设备驱动到设备处理完成时间

  在上述过程中，Q2M、M2D两个阶段不是必然发生的，只有可以merge的I/O才会进行合并。

 

• 生产不同维度的报告

  查看所有I/O D2C阶段的具体延时： （-l参数将会分析D2C阶段延迟，该参数后是具体的输出文件名）

  [root@k8s-slave9 longterm_io] # btt -i sde.blktrace.bin -l sde.d2c_latency
  ==================== All Devices ====================
  
              ALL           MIN           AVG           MAX           N
  --------------- ------------- ------------- ------------- -----------
  
  Q2Q               0.000002013   7.354920889  30.208019079          63
  Q2G               0.000000889   0.000003898   0.000016826          59
  G2I               0.000000591   0.000003383   0.000035937          59
  Q2M               0.000000333   0.000001295   0.000002440           5
  I2D               0.000000503   0.065649284   0.252996244          59
  M2D               0.000003840   0.000011816   0.000017717           5
  D2C               0.000128883   0.056202494   0.254664063          64
  Q2C               0.000131324   0.116730664   0.262633229          64
  ...

  执行完上面的命令后，会有如下文件生产：

  [root@k8s-slave9 longterm_io] # ls *.dat
  8,64_iops_fp.dat  8,64_mbps_fp.dat  sde.d2c_latency_8,64_d2c.dat  sys_iops_fp.dat  sys_mbps_fp.dat

  如上输出，可以看到：有这段时间的IOPS统计（8,64_iops_fp.dat、sys_iops_fp.dat）、带宽统计（8,64_mbps_fp.dat、sys_mbps_fp.dat）、延迟统计（sde.d2c_latency_8,64_d2c.dat）
  我们看看这些文件：

  每个时间点的I /O 个数：
  [root@k8s-slave9 longterm_io] # cat sys_iops_fp.dat
  0 1
  10 1
  31 1
  40 1
  44 1
  66 1
  70 1
  100 5
  ...
  
  每个时间点的带宽：
  [root@k8s-slave9 longterm_io] # cat sys_mbps_fp.dat
  0 0.019531
  10 0.000977
  31 0.031250
  40 0.000977
  44 0.003906
  66 0.015625
  70 0.002441
  100 0.048828
  ...
  
  每个时间点的D2C阶段延迟：
  [root@k8s-slave9 longterm_io] # cat sde.d2c_latency_8,64_d2c.dat
  0.207383 0.207372
  10.492647 0.009854
  31.439889 0.207854
  40.700689 0.009720
  44.381372 0.206810
  44.381372 0.206810
  66.564038 0.004049
  70.907380 0.008502
  100.047822 0.207767
  ...

  其中，第一列是时间戳，第二列是具体的内容
  
  查看所有I/O的size、offset等信息：（-B参数将会输出具体的block号，包括起始block、终止block）

  [root@k8s-slave9 longterm_io] # btt -i sde.blktrace.bin -B sde.offset
  ==================== All Devices ====================
  
              ALL           MIN           AVG           MAX           N
  --------------- ------------- ------------- ------------- -----------
  
  Q2Q               0.000002013   7.354920889  30.208019079          63
  Q2G               0.000000889   0.000003898   0.000016826          59
  G2I               0.000000591   0.000003383   0.000035937          59
  Q2M               0.000000333   0.000001295   0.000002440           5
  I2D               0.000000503   0.065649284   0.252996244          59
  M2D               0.000003840   0.000011816   0.000017717           5
  D2C               0.000128883   0.056202494   0.254664063          64
  Q2C               0.000131324   0.116730664   0.262633229          64
  ...

  上述命令将输出如下的文件：

  [root@k8s-slave9 longterm_io] # ls | grep offset
  sde.offset_8,64_c.dat
  sde.offset_8,64_r.dat
  sde.offset_8,64_w.dat

  xxx_r.dat：读操作相关信息
  xxx_w.dat：写操作相关信息

  xxx_c.dat：所有操作，读写都有

   

  我们看看写操作：

  [root@k8s-slave9 longterm_io] # cat sde.offset_8,64_w.dat
      0.000010638 470236984 470237024
     10.482792539 469242512 469242514
     31.232035019 470237016 470237080
     40.690968712 469242514 469242516
     44.174561925 703299792 703299800
     66.559989117 470237072 470237104
     70.898878399 469242516 469242521
     99.840054977 470237096 470237152
    100.864256898 703277841 703277843
    ...

  其中第一列是时间戳，第二列是I/O操作的起始block号，第三列是I/O操作的终止block号。

参考

https://www.mimuw.edu.pl/~lichota/09-10/Optymalizacja-open-source/Materialy/10%20-%20Dysk/gelato_ICE06apr_blktrace_brunelle_hp.pdf

http://fibrevillage.com/storage/539-blktrace-and-btt-example-to-debug-and-tune-disk-i-o-on-linux