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Linux命令拾遗-%iowait指标代表了什么?

时间:01-27来源:作者:点击数:

简介#

一直以来,我都知道top、vmstat、mpstat中有一个叫wa(%iowait)的cpu指标,但对它表示的具体含义又不是很清楚,故专门去网上学习了一下。

iowait在man中的介绍#

man文档是学习命令的第一手资料,先来看看man文档中的介绍,如下:

$ man top
wa, IO-wait : time waiting for I/O completion.

$ man vmstat
wa: Time spent waiting for IO.  Prior to Linux 2.5.41, included in idle.

$ man mpstat
%iowait
    Show the percentage of time that the CPU or CPUs were idle during which the system had an outstanding disk I/O request.

$ man iostat
%iowait
    Show the percentage of time that the CPU or CPUs were idle during which the system had an outstanding disk I/O request.

$ man sar
 %iowait
    Percentage of time that the CPU or CPUs were idle during which the system had an outstanding disk I/O request.

翻译过来就是CPU空闲且有正在进行的磁盘IO的情况下所占的时间比例,理解起来非常模糊,只能大概了解到这个指标好像和磁盘IO有关。

iowait真相#

在man中查不到,那就只能去网上找找了,看有没有大佬在网上分享过这方面知识,在经过好一段时间的baidu、google,终于发现了如下两篇文章:

  • The precise meaning of I/O wait time in Linux,英文的讲解,并含有一些命令实践。
  • Linux Kernel iowait 时间的代码原理,从内核代码层面讲解。

可以说这两篇文章介绍得非常清楚了,我用白话概括一下内核处理过程,如下:

  1. 我们知道操作系统给每个CPU分配了一个运行队列rq,用于存放可运行的线程task_stuct,调度器每次都是从此队列中取线程执行,若队列为空则CPU执行内核空闲线程的代码。
  2. 当线程执行io操作时,需要将当前任务切换出去,会先将当前线程task_stuct.in_iowait设置为1,线程状态设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE(D状态),并将运行队列上rq.nr_iowait加1,而io完成后task_stuct.in_iowait还原为0,rq.nr_iowait减1,具体见内核io_schedule_timeout函数,可见rq.nr_iowait代表当前CPU上等待io操作的线程数量。
  3. 当CPU执行内核空闲代码时,会判断rq.nr_iowait,若大于0则将空闲时间计算在iowait上,否则计算在idle上,具体见内核account_idle_time函数。

总结一下idle与iowait区别,如下:

  1. iowait时间实际上就是CPU空闲时间,Linux上空闲时间有两类,一类是普通的idle,另一类是iowait。
  2. 普通idle与iowait区别是,iowait是CPU空闲时,有任务正在做磁盘io操作,而idle则没有。

iowait高代表io压力大?#

iowait指标是从CPU角度看io,但毕竟不是从io层面看的,所以iowait高也不一定代表有问题,如下:

  1. 如果程序迁移到性能更好的CPU上,由于CPU运行代码变快,会导致空闲时间变多,而iowait时间实际上就是空闲时间,所以有时会发现,性能更好的机器上iowait反而更高了。
  2. 比如有这样两个程序,程序A在10s内每1s都做1次io操作,假设io操作需要1s,那么10s内的iowait是100%,而程序的IOPS是1。另一程序B在10s的前1s内并发执行了10次io操作,那么iowait是10%,而程序的峰值IOPS是10。虽然例子比较极端,但这里很明显程序B的IOPS峰值更高,但它的iowait却更低。

虽说iowait并不能准确反映io情况,但它也不是完全没用的,在大多数情况下,iowait高确实代表了io压力大,并且它至少提示了你应该进一步检查一下io情况,这方面iostat、iotop、blktrace等可以做到。

另外,从上面的iowait原理中你会发现,处在iowait的线程,其必定是D状态的(TASK_UNINTERRUPTIBLE),这在之前也提到过,D状态是会影响系统负载的,详细可查看Linux命令拾遗-理解系统负载

命令实践#

stress -d命令可以模拟做大量的磁盘操作,并使用taskset将stress绑定到3号核上运行,如下:

$ taskset --cpu-list 3 stress -d 1 --hdd-bytes 100G
stress: info: [9160] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 0 vm, 1 hdd

然后使用mpstat -P ALL 1观察iowait情况,发现3号核iowait高达88%,如下:

mpstat_iowait

然后新开一个shell窗口,使用stress -c命令模拟大量的CPU运算,也使用taskset绑定到3号核上运行,如下:

$ taskset --cpu-list 3 stress -c 1
stress: info: [9178] dispatching hogs: 1 cpu, 0 io, 0 vm, 0 hdd

再次使用mpstat -P ALL 1观察iowait情况,发现3号核iowait变成了0%,而%usr几乎满载,如下:

mpstat_iowait_0

如果你理解了上面的内容,就能理解这个示例了。

第一次因为只有stress -d在做io操作,所以CPU基本都是空闲的,而空闲期间基本都是有在做io的任务存在的,所以iowait高。

第二次因为加入stress -c使得CPU不再空闲,而iowait实际上就是空闲时间,所以iowait自然就变成0了。

当然,如果你有兴趣,还可以试下这两个命令,它们可以将%sys%nice变成100%,如下:

# 使得%sys满载
$ taskset --cpu-list 3 dd if=/dev/zero of=/dev/null bs=1M count=1000000

# 使得%nice满载
$ taskset --cpu-list 3 nice -n 19 stress -c 1
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