Linux磁盘性能的指标介绍

在 Linux 系统中，磁盘性能指标是评估存储子系统性能的关键依据，主要用于判断磁盘 I/O 是否存在瓶颈、定位性能问题根源（如吞吐量不足、响应延迟过高、队列积压等）。以下是核心指标的详细介绍：

一、基础指标分类

1. 吞吐量（Throughput）

• 定义：单位时间内磁盘传输的数据量，反映磁盘的最大数据传输能力。
• 单位：MB/s（兆字节每秒）或 KB/s（千字节每秒）。
• 相关指标：
  • 读吞吐量（Read Throughput）：每秒读取的数据量（如 rkB/s、MB_read/s）。
  • 写吞吐量（Write Throughput）：每秒写入的数据量（如 wkB/s、MB_write/s）。
• 工具：
  • iostat -d -x：查看 rkB/s 和 wkB/s（转换为 MB 需除以 1024）。
  • vmstat -d：显示磁盘总吞吐量。
  • dstat -d：实时统计各磁盘读写速率。
• 应用场景：顺序读写场景（如文件复制、大数据处理）更关注吞吐量，机械硬盘（HDD）通常低于 200MB/s，固态硬盘（SSD）可达数 GB/s。

2. IOPS（Input/Output Operations Per Second）

• 定义：每秒完成的 I/O 操作次数，分为随机 IO 和顺序 IO，反映磁盘处理小数据块的能力。
• 单位：次 / 秒（ops/s）。
• 相关指标：
  • 读 IOPS（Read IOPS）：每秒读操作次数（如 r/s）。
  • 写 IOPS（Write IOPS）：每秒写操作次数（如 w/s）。
• 工具：
  • iostat -d：直接显示 r/s 和 w/s。
  • iotop：按进程统计实时 IOPS。
  • sysstat 工具包中的 pidstat -d：追踪特定进程的 IOPS。
• 特点：随机 IO（如数据库事务）对 IOPS 要求高，HDD 通常为 100-200 IOPS，SSD 可达数万甚至百万 IOPS。

3. 响应时间（Response Time）

• 定义：从发出 I/O 请求到完成操作的总时间，包括队列等待时间和实际处理时间。
• 单位：毫秒（ms）。
• 相关指标：
  • 平均响应时间（Average Response Time, await）：每个 I/O 请求的平均处理时间（包括等待时间）。
  • 服务时间（Service Time, svctm）：磁盘实际处理 I/O 的时间（不包括等待时间，仅机械硬盘有效，SSD 因无寻道时间可忽略）。
• 工具：
  • iostat -x：查看 await 和 svctm（机械硬盘中 await ≈ 队列等待时间 + svctm）。
  • fio 基准测试：通过负载模拟测量响应时间分布（如 95%、99% 延迟）。
• 注意：高并发场景下，await 显著高于 svctm 表明队列积压严重。

4. 利用率（Utilization）

• 定义：磁盘忙于处理 I/O 的时间占比（非空闲时间），反映磁盘的繁忙程度。
• 单位：百分比（%）。
• 指标：%util（或 utilization）。
• 工具：
  • iostat -x：直接显示 %util（计算方式：(读操作时间 + 写操作时间)/总时间）。
  • vmstat -d：显示磁盘活动时间百分比。
• 阈值：
  • 机械硬盘：长期高于 70% 可能存在瓶颈（因寻道和旋转延迟）。
  • SSD：可承受更高利用率（通常低于 90% 时性能稳定）。
• 误区：%util 接近 100% 时，磁盘可能饱和，但需结合队列长度（avgqu-sz）判断是否为瓶颈。

5. 队列长度（Queue Length）

• 定义：等待处理的 I/O 请求数量，反映磁盘的负载压力。
• 相关指标：
  • 平均队列长度（Average Queue Length, avgqu-sz）：一段时间内等待处理的 I/O 请求平均值。
  • 即时队列长度：通过 cat /proc/diskstats 或 dmesg 查看瞬时队列（较少用，平均指标更有意义）。
• 工具：
  • iostat -x：显示 avgqu-sz。
  • sysstat 记录的历史数据（如 /var/log/sysstat/ 中的文件）。
• 意义：持续大于磁盘能处理的并发数（如 HDD 通常为 2-4，SSD 可达数百）时，会导致响应时间急剧增加。

6. 请求大小（Request Size）

• 定义：每个 I/O 请求的平均数据量，反映工作负载特性（小文件 vs 大文件）。
• 单位：扇区（512 字节）或 KB/MB。
• 指标：avgrq-sz（平均请求大小，以扇区为单位）。
• 工具：iostat -x 显示 avgrq-sz，转换为 KB 需乘以 512 并除以 1024。
• 应用：小请求（如 4KB）对应随机 IO（数据库），大请求（如 1MB）对应顺序 IO（文件传输）。

二、关键工具及输出解析

1. iostat（最核心工具）

iostat -d -x 1  # 每秒输出一次磁盘详细指标

• 主要字段：
  • rrqm/s/wrqm/s：每秒合并的读 / 写请求数（内核合并相邻块请求以提升效率，SSD 可忽略）。
  • r/s/w/s：每秒完成的读 / 写操作数（IOPS）。
  • rkB/s/wkB/s：每秒读 / 写数据量（吞吐量）。
  • avgrq-sz：平均请求大小（扇区）。
  • avgqu-sz：平均等待队列长度（值越高，积压越严重）。
  • await：平均响应时间（ms，包括等待和处理时间）。
  • svctm：平均服务时间（ms，仅机械硬盘有效）。
  • %util：磁盘利用率（长期 > 70% 需警惕）。

2. vmstat（系统级统计）

 

vmstat -d  # 显示磁盘整体统计
vmstat -n 1  # 每秒显示一次系统IO指标（如`bi`/`bo`为块设备读写量）

 

• bi：每秒从块设备读取的数据块数（512 字节 / 块）。
• bo：每秒写入块设备的数据块数。

3. iotop（实时进程级 IO 监控）

iotop -o  # 仅显示有IO活动的进程

• 可查看进程的读写速率、IOPS，定位异常占用 IO 的进程。

4. /proc/diskstats（原始统计数据）

cat /proc/diskstats  # 输出各磁盘的详细计数器

• 字段顺序（以sda为例）：

  8 0 sda 12345 678 9012 345 6789 1011 12345 67 0 123 456
  

  
  
  • 第 3-6 列：读操作相关（完成次数、合并次数、扇区数、耗时）。
  • 第 7-10 列：写操作相关（同上）。

三、实战场景与指标关联

1. 判断磁盘瓶颈

• 场景 1：%util 高（>80%）且 avgqu-sz 持续 > 0 → 磁盘繁忙，可能存在瓶颈。
• 场景 2：await 高（如 > 50ms）但 %util 低 → 可能存在偶发延迟（如 SSD 垃圾回收、HDD 寻道异常）。
• 场景 3：r/s/w/s 高但 rkB/s/wkB/s 低 → 大量小文件随机 IO（如数据库日志）。

2. 区分硬件类型影响

• HDD：受限于机械结构，svctm 较高（5-15ms），%util 超过 70% 后性能下降明显。
• SSD：svctm 接近 0（无寻道时间），瓶颈通常在吞吐量或队列深度，%util 可长期高于 90%。

3. 优化方向

• 高 IOPS 场景（数据库）：关注 r/s/w/s、await，使用 SSD 或 RAID 0 提升并发。
• 高吞吐量场景（大数据）：关注 rkB/s/wkB/s，使用顺序读写、大缓冲区。
• 队列积压：减少并发请求（如优化应用逻辑）、增加磁盘容量或更换高性能存储。
• 上述指标，可准确定位磁盘性能问题（如延迟、瓶颈、配置不合理），并结合工具（如fio做基准测试、blktrace追踪 IO 路径）进一步排查。日常监控建议结合cron定时采集iostat数据，或使用 Prometheus+Grafana 实现可视化预警。