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如何理解 iowait

高子歌 2022-04-16 阅读 35
linuxiowait

Linux中,%iowait 过高可能是个问题,严重的时候,它能使服务停止, 但问题是,多高才算高? 什么时候应该担心呢?

本文将讨论 iowait 的含义、相关的统计数据、原理以及 iowait的瓶颈问题

什么是 iowait

Linux 中的解释

iowait 指在一个采样周期内有百分之几的时间是属于以下情况:CPU处于空闲状态并且至少有一个未完成的磁盘IO请求

每个CPU 可以处于以下状态之一: user, sys, idle, iowait , 我们通过 iostat工具可以看到这几个状态的值,它们都是以百分比的形式显示的,CPU 是在这几个状态之间切换,所以这几个值总和是 100%

需要说明一点,上图中的 %sys, %user, %idle, %iowait 的百分比值都是针对所有的 CPU 来说的,统计的是全局的信息,并不是指单个进程的数据

根据 iowait的定义可知, iowait是属于 idle的一个子类,为了便于理解,可以把 iowait 当成一种等待 IO 造成的 idle状态

原理

在内核中,user, sys, idle, iowait 四种状态,每个状态都有一个计数器,一个采样周期内统计每个状态的计数器,最后计算每个计数器占总计数的百分比,结果就是每个状态所占的百分比

当发生时钟中断的时候,内核会检查 CPU 当前的状态,如果 CPU 正在执行内核空间的指令,则 sys 的计数器加 1 ,如果是用户空间的指令,则 user 的计数器加 1

如果 CPU 此时处于 idle 状态,内核会做以下检查

1、是否存在从该 CPU 发起的一个未完成的本地磁盘IO请求

2、是否存在从该 CPU 发起的网络磁盘挂载的操作

如果存在以上任一情况,则 iowait 的计数器加 1,如果都没有,则 idle 的计数器加 1

当使用 iostat 工具时,它会读取上述四种计数器的值,间隔玩家指定的秒数后,再次读取计数器的值,取两次的差值就得到了采样周期内计的增量值,我们知道,Linux下每一个时钟 tick 是 10ms,根据间隔的秒数,就可以得到间隔了多少个时钟,而计数器是在每次时钟中断时进行计数,所以用每种状态的计数器的增量值除以总间隔时钟数,就能得到每种状态所占时间的百分比

假如间隔时间是 1s,则共有 100 个时钟,假如 sys 计数为 2, user 计数为 3,iowait 计数为 0 , idle 计数为 95,则 它们的百分比依次为:2%、 %3、 0%、 95%

iowait 常见的误解

有些同学可能对 iowait 的理解有偏差,常见的误解大概有以下几点

  • iowait 表示等待IO完成,在此期间 CPU 不能接受其他任务

从上面 iowait 的定义可以知道,iowait 表示 CPU 处于空闲状态并且有未完成的磁盘 IO 请求,也就是说,iowait 的首要条件就是 CPU 空闲,既然空闲就能接受任务,只是当前没有可运行的任务,才会处于空闲状态的,为什么没有可运行的任务呢? 有可能是正在等待一些事件,比如:磁盘IO、键盘输入或者等待网络的数据等

  • iowait 高表示 IO 存在瓶颈

由于 Linux 文档对 iowait 的说明不多,这点很容易产生误解,iowait 第一个条件是 CPU 空闲,也即所有的进程都在休眠,第二个条件是 有未完成的 IO 请求

这两个条件放到一起很容易产生下面的理解:进程休眠的原因是为了等待 IO 请求完成,而 %iowait 变高说明进程因等待IO 而休眠的时间变长了,或者因等待IO而休眠的进程数量变多了 初一听,似乎很有道理,但实际是不对的

iowait 升高并不一定会导致等待IO进程的数量变多,也不一定会导致等待IO的时间变长,我们借助下面的图来理解

上图中,红色表示 CPU繁忙,绿色表示 CPU 空闲

一个周期内,两个 IO 依次提交,左图的 CPU 一直处于繁忙状态,所以 %iowait 为 0%,右边的 CPU 繁忙时间只有左边的一半儿,另一半时间是空闲时间,因此 %iowait 为 50%,可以看到,IO 并没有变化,%iowait 确升高了,其实是因为 CPU 空闲时间增加了而已

上图中,一个周期内,CPU 一直处于空闲状态,两个 IO 依次提交,整个周期内始终有 IO 再进行,所以 %iowait 为 100%

假如系统有能力同时处理多个 IO,现在两个 IO 同时提交

可以看到,系统处理两个并发 IO 只需要一半儿的时间,此时, %iowait 变成了 50%,其实,如果系统能同时处理 3 个并发 IO 的话,%iowait 依然为 50%

所以,%iowait 的高低与 IO 的多少没有必然的关系,而是与 IO 的并发度相关,仅根据 %iowait 的上升是不能确定 IO 负载增加的结论

如何确定磁盘IO的瓶颈

通过前面的讲述,可以发现 %iowait 包含的信息量还不足以判断出 磁盘IO 是否存在瓶颈

%iowait 升高,还需要检查下 IO 量是否有明显增加以及avgrq-sz、avgqu-sz r_await、 w_await 等指标有没有增加,实际的操作以及应用有没有明显的变慢,如果都没有的话,应该没什么问题

avgrq-sz:  向设备发出请求的平均大小(单位:扇区)

avgqu-sz: 向设备发出请求的队列平均长度

r_await:   向服务设备发出读取请求的平均时间(单位:毫秒)

           包括请求入队的时间以及设备处理请求的时间

w_await:  向服务设备发出写请求的平均时间(单位:毫秒)

           包括请求入队的时间以及设备处理请求的时间

小结

%iowait的值作为 判断 IO 性能的指标,可能有用,也可能没用,但是它的能告诉我们系统是否还能处理更多的计算任务,例如: 当 iowait 很高时,说明空闲的 CPU 资源较多,还能处理一些计算相关的工作,也就是说,iowait 是 CPU 空闲时间的一种表现形式

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