Linux文件系统性能调优 参数优化

由于各种的I/O负载情形各异,Linux系统中文件系统的缺省配置一般来说都比较中庸,强调普遍适用性。然而在特定应用下,这种配置往往在I/O 性能方面不能达到最优。因此,如果应用对I/O性能要求较高,除了采用性能更高的硬件（如磁盘、HBA卡、CPU、MEM等）外,我们还可以通过对文件系统进行性能调优,来获得更高的I/O性能提升。总的来说,主要可以从三个方面来做工作：

1、Disk相关参数调优
2、文件系统本身参数调优
3、文件系统挂载(mount)参数调优

当然,负载情况不同,需要结合理论分析与充分的测试和实验来得到合理的参数。下面以SAS(Serial attached SCSI)磁盘上的EXT3文件系统为例,给出Linux文件系统性能优化的一般方法。请根据自身情况作适合调整,不要生搬硬套。
1、Disk相关参数
1.1 Cache mode:启用WCE=1(Write Cache Enable), RCD=0(Read Cache Disable)模式

sdparm -s WCE=1, RCD=0 -S /dev/sdb

1.2 Linux I/O scheduler算法
经过实验,在重负载情形下,deadline调度方式对squidI/O负载具有更好的性能表现。其他三种为noop(fifo), as, cfq,noop多用于SAN/RAID存储系统,as多用于大文件顺序读写,
cfq适于桌面应用。

echo deadline > /sys/block/sdb/queue/scheduler

1.3 deadline调度参数
对于redhat linux建议 read_expire = 1/2 write_expire,对于大量频繁的小文件I/O负载,应当这两者取较小值。更合适的值,需要通过实验测试得到。
echo 500 > /sys/block/sdb/queue/iosched/read_expire
echo 1000 > /sys/block/sdb/queue/iosched/write_expire

1.4 readahead 预读扇区数
预读是提高磁盘性能的有效手段,目前对顺序读比较有效,主要利用数据的局部性特点。比如在我的系统上,通过实验设置通读256块扇区性能较优。
blockdev --setra 256 /dev/sdb

但这个参数对于随机读则没有作用,在SSD硬盘甚至有害,因此在SSD上需要关闭预读。

1.5 磁盘队列长度
/sys/block/sda/queue/nr_requests 默认只有 128 个队列,可以提高到 512 个。
会更加占用内存,但能更加多的合并读写操作,速度变慢,但能读写更加多的量

2、EXT3文件系统参数
2.1 block size = 4096 (4KB)
mkfs.ext3 -b指定,大的数据块会浪费一定空间,但会提升I/O性能。EXT3文件系统块大小可以为1KB、2KB、4KB。

2.2 inode size
这是一个逻辑概念,即一个inode所对应的文件相应占用多大物理空间。mkfs.ext3 -i指定,可用文件系统文件大小平均值来设定,可减少磁盘寻址和元数据操作时间。

2.3 reserved block
mkfs.ext3 -m指定,缺省为5%,可调小该值以增大部分可用存储空间。

2.4 disable journal
对数据安全要求不高的应用（如web cache）,可以关闭日志功能,以提高I/O性能。
tune2fs -O^has_journal /dev/sdb

3、mount参数
3.1 noatime, nodirtime
访问文件目录,不修改访问文件元信息,对于频繁的小文件负载,可以有效提高性能。

3.2 async
异步I/O方式,提高写性能。

3.3 data=writeback (if journal)
日志模式下,启用写回机制,可提高写性能。数据写入顺序不再保护,可能会造成文件系统数据不一致性,重要数据应用慎用。

3.4 barrier=0 (if journal)
barrier=1,可以保证文件系统在日志数据写入磁盘之后才写commit记录,但影响性能。重要数据应用慎用,有可能造成数据损坏。

4、小结
以/dev/sdb为例,优化操作方法如下,参数请自行调整。

sdparm -s WCE=1, RCD=0 -S /dev/sdb
echo deadline > /sys/block/sdb/queue/scheduler
echo 500 > /sys/block/sdb/queue/iosched/read_expire
echo 1000 > /sys/block/sdb/queue/iosched/write_expire
echo 512 > /sys/block/sda/queue/nr_requests
blockdev --setra 256 /dev/sdb
mkfs.ext3 -b 4096 -i 16384 -m 2 /dev/sdb1
tune2fs -O^has_journal /dev/sdb1
mount /dev/sdb1 /cache1 -o defaults,noatime,nodirtime,async,data=writeback,barrier=0 (if with journal)
mount /dev/sdb1 /cache1 -o defaults,noatime,nodirtime,async (if without journal)

 

关于页面缓存的信息

cat /proc/meminfo 
看到。其中的Cached 指用于pagecache的内存大小（diskcache-SwapCache）。随着写入缓存页，Dirty 的值会增加。
一旦开始把缓存页写入硬盘,Writeback的值会增加直到写入结束。 Linux 用pdflush进程把数据从缓存页写入硬盘，查看有多少个pdflush进程
cat /proc/sys/vm/nr_pdflush_threadspdflush的行为受/proc/sys/vm中的参数的控制
/proc/sys/vm/dirty_writeback_centisecs (default 500): 
1/100秒, 多长时间唤醒pdflush将缓存页数据写入硬盘。默认5秒唤醒2个（更多个）线程。
如果wrteback的时间长于dirty_writeback_centisecs的时间，可能会出问题。

 

pdflush的第一件事是读取
/proc/sys/vm/dirty_expire_centiseconds (default 3000)
1/100秒。缓存页里数据的过期时间(旧数据)，在下一个周期内被写入硬盘。默认30秒是一个很长的时间。

第二件事是判断内存是否到了要写入硬盘的限额，由参数决定：
/proc/sys/vm/dirty_background_ratio (default 10)
百分值，保留过期页缓存（脏页缓存）的最大值。是以MmeFree+Cached-Mapped的值为基准的

pdflush写入硬盘看两个参数：
1 数据在页缓存中是否超出30秒，如果是，标记为脏页缓存;
2 脏页缓存是否达到工作内存的10%;

以下参数也会影响到pdflush
/proc/sys/vm/dirty_ratio (default 40)
总内存的最大百分比，系统所能拥有的最大脏页缓存的总量。超过这个值，开启pdflush写入硬盘。如果cache增长快于pdflush，那么整个系统在40%的时候遇到I/O瓶颈，所有的I/O都要等待cache被pdflush进硬盘后才能重新开始。

对于有高度写入操作的系统
dirty_background_ratio: 主要调整参数。如果需要把缓存持续的而不是一下子大量的写入硬盘，降低这个值。
dirty_ratio：        第二调整参数。

Swapping参数
/proc/sys/vm/swappiness
默认，linux倾向于从物理内存映射到硬盘缓存，保持硬盘缓存尽可能大。未用的页缓存会被放进swap区。
数值为0，将会避免使用swapping
100，将会尽量使用swapping
少用swapping会增加程序的响应速度；多用swapping将会提高系统的可用性。

如果有大量的写操作，为避免I/O的长时间等待，可以设置：
echo5>/proc/sys/vm/dirtybackgroundratioecho5>/proc/sys/vm/dirtybackgroundratio echo 10 > /proc/sys/vm/dirty_ratio

文件系统数据缓冲需要频繁的内存分配。加大保留内存的值能提升系统速度和稳定。小于8G的内存，保留内存为64M，大于8G的设置为256M
$ echo 65536 > /proc/sys/vm/min_free_kbytes

I/O 调度器
cat /sys/block/[disk]/queue/scheduler

4中调度算法
noop anticipatory deadline [cfq] 
deadline :    deadline 算法保证对既定的IO请求以最小的延迟时间。
anticipatory：    有个IO发生后，如果又有进程请求IO，则产生一个默认6ms猜测时间，猜测下一个进程请求IO是干什么。这对于随机读取会造成较大的延时。
对数据库应用很糟糕，而对于Web Server等则会表现不错。
cfq:        对每个进程维护一个IO队列，各个进程发来的IO请求会被cfq以轮循方式处理，对每一个IO请求都是公平。适合离散读的应用。
noop:        对所有IO请求都用FIFO队列形式处理。默认IO不会存在性能问题。

改变调度器
$ echo deadline > /sys/block/sdX/queue/scheduler
对于数据库服务器，deadline算法是推荐的。

提高调度器请求队列的
$ echo 4096 > /sys/block/sdX/queue/nr_requests

有大量的读请求，默认的请求队列应付不过来，可以提高这个值。缺点是要牺牲一定的内存。
为了增加连续读取的吞吐量，可以增加预读数据量。预读的实际值是自适应的，所以使用一个较高的值，不会降低小型随机存取的性能。
$ echo 4096 > /sys/block/sdX/queue/read_ahead_kb
如果LINUX判断一个进程在顺序读取文件，那么它会提前读取进程所需文件的数据，放在缓存中。

服务器遇到磁盘写活动高峰，导致请求处理延迟非常大（超过3秒）。通过调整内核参数，将写活动的高峰分布成频繁的多次写，每次写入的数据比较少。这样可以把尖峰的写操作削平成多次写操作。以这种方式执行的效率比较低，因为内核不太有机会组合写操作。但对于繁忙的服务器，写操作将更一致地进行，并将极大地改进交互式性能。

/proc/sys/vm/dirty_ratio 

控制文件系统的写缓冲区的大小，单位是百分比，表示占系统内存的百分比，表示当写缓冲使用到系统内存多少的时候，开始向磁盘写出数据。增大之会使用更多系统内存用于磁盘写缓冲，也可以极大提高系统的写性能。但是，当你需要持续、恒定的写入场合时，应该降低其数值。

/proc/sys/vm/dirty_background_ratio

控制文件系统的pdflush进程，在何时刷新磁盘。单位是百分比，表示系统内存的百分比，pdflush用于将内存中的内容和文件系统进行同步，比如说,当一个文件在内存中进行修改,pdflush负责将它写回硬盘.每当内存中的垃圾页（dirty page）超过10%的时候,pdflush就会将这些页面备份回硬盘.增大之会使用更多系统内存用于磁盘写缓冲，也可以极大提高系统的写性能。但是，当你需要持续、恒定的写入场合时，应该降低其数值：

/proc/sys/vm/dirty_writeback_centisecs

控制内核的脏数据刷新进程pdflush的运行间隔。单位是 1/100 秒。缺省数值是500，也就是 5 秒。如果你的系统是持续地写入动作，那么实际上还是降低这个数值比较好，这样可以把尖峰的写操作削平成多次写操作。
如果你的系统是短期地尖峰式的写操作，并且写入数据不大（几十M/次）且内存有比较多富裕，那么应该增大此数值。
该参数的设置应该小于dirty_expire_centisecs，但也不能太小，太小I/O太频繁，反而
使系统性能下降。具体可能需要在生产环境上测试。据说1:6 (dirty_expire_centisecs  : dirty_writeback_centisecs )的比例比较好。

/proc/sys/vm/dirty_expire_centisecs

声明Linux内核写缓冲区里面的数据多“旧”了之后，pdflush进程就开始考虑写到磁盘中去。单位是 1/100秒。缺省是 30000，也就是 30 秒的数据就算旧了，将会刷新磁盘。对于特别重载的写操作来说，这个值适当缩小也是好的，但也不能缩小太多，因为缩小太多也会导致IO提高太快。
当然，如果你的系统内存比较大，并且写入模式是间歇式的，并且每次写入的数据不大（比如几十M），那么这个值还是大些的好。

/proc/sys/vm/vfs_cache_pressure

表示内核回收用于directory和inode   cache内存的倾向；缺省值100表示内核将根据pagecache和swapcache，把directory和inode   cache保持在一个合理的百分比；降低该值低于100，将导致内核倾向于保留directory和inode   cache；增加该值超过100，将导致内核倾向于回收directory和inode   cache

/proc/sys/vm/min_free_kbytes

表示强制Linux   VM最低保留多少空闲内存（Kbytes）。
缺省设置：724（512M物理内存）

/proc/sys/vm/nr_pdflush_threads

表示当前正在运行的pdflush进程数量，在I/O负载高的情况下，内核会自动增加更多的pdflush进程。

/proc/sys/vm/overcommit_memory

指定了内核针对内存分配的策略，其值可以是0、1、2。

0，   表示内核将检查是否有足够的可用内存供应用进程使用；如果有足够的可用内存，内存申请允许；否则，内存申请失败，并把错误返回给应用进程。

1，   表示内核允许分配所有的物理内存，而不管当前的内存状态如何。

2，   表示内核允许分配超过所有物理内存和交换空间总和的内存（参照overcommit_ratio）。

缺省设置：0

/proc/sys/vm/overcommit_ratio

如果overcommit_memory=2，可以过载内存的百分比，通过以下公式来计算系统整体可用内存。系统可分配内存=交换空间+物理内存*overcommit_ratio/100
缺省设置：50（%）

/proc/sys/vm/page-cluster

表示在写一次到swap区的时候写入的页面数量，0表示1页，1表示2页，2表示4页。
缺省设置：3（2的3次方，8页）

/proc/sys/vm/swapiness

表示系统进行交换行为的程度，数值（0-100）越高，越可能发生磁盘交换。

更改：
/etc/sysctl.conf

vm.dirty_ratio = 40

sysctl -p

查看：

find /proc/sys/vm -name dirty* -print | while read name; do echo $name ;cat ${name