如何利用 `Percona Toolkit` 的 `pt-diskstats` 诊断 `I/O` 瓶颈？

好的，下面进入正题：

使用 Percona Toolkit 的 pt-diskstats 诊断 I/O 瓶颈

大家好，今天我们来深入探讨如何使用 Percona Toolkit 中的 pt-diskstats 工具来诊断 I/O 瓶颈。 I/O 瓶颈是数据库性能问题中最常见也是最难定位的原因之一。 pt-diskstats 能够提供详细的磁盘 I/O 统计信息，帮助我们识别性能瓶颈所在。

1. pt-diskstats 的基本原理

pt-diskstats 工具通过读取 /proc/diskstats 文件来获取磁盘 I/O 统计信息。 /proc/diskstats 是 Linux 内核提供的一个虚拟文件，它包含了系统中每个块设备（包括硬盘、SSD 等）的 I/O 操作统计数据。 pt-diskstats 会周期性地读取这个文件，计算出各种 I/O 指标，并以易于理解的格式输出。

2. 安装 Percona Toolkit

首先，我们需要安装 Percona Toolkit。 安装方法因 Linux 发行版而异。 以下是在 Debian/Ubuntu 系统上的安装示例：

sudo apt-get update
sudo apt-get install percona-toolkit

在 CentOS/RHEL 系统上的安装示例：

sudo yum install percona-toolkit

安装完成后，可以通过运行 pt-diskstats --version 命令来验证是否安装成功。

3. pt-diskstats 的基本用法

pt-diskstats 的基本用法非常简单：

pt-diskstats

这会以默认的间隔（通常是 1 秒）输出磁盘 I/O 统计信息。 输出结果类似如下：

# time          sda      sdb
#                      rd_s/s   wr_s/s   avgrq-sz   avio_ms   %util   rd_s/s   wr_s/s   avgrq-sz   avio_ms   %util
1678886400      0.00     0.00       0.00       0.00    0.00     0.00     0.00       0.00       0.00    0.00
1678886401      0.00     0.00       0.00       0.00    0.00     0.00     0.00       0.00       0.00    0.00
1678886402      0.00     0.00       0.00       0.00    0.00     0.00     0.00       0.00       0.00    0.00
1678886403      0.00     0.00       0.00       0.00    0.00     0.00     0.00       0.00       0.00    0.00
1678886404      0.00     0.00       0.00       0.00    0.00     0.00     0.00       0.00       0.00    0.00

输出的每一列代表一个磁盘设备（例如 sda，sdb）。每一行代表一个采样点。 各列的含义如下：

• time: 时间戳
• rd_s/s: 每秒读取的扇区数 (sectors/second)
• wr_s/s: 每秒写入的扇区数 (sectors/second)
• avgrq-sz: 平均每次 I/O 操作的扇区数 (average request size)
• avio_ms: 平均 I/O 操作的耗时（毫秒）(average I/O time in milliseconds)
• %util: 磁盘利用率（百分比）(percentage of time during which I/O requests were issued to the device)

4. 常用选项

pt-diskstats 提供了许多选项来定制输出和行为。 以下是一些常用的选项：

• --interval: 指定采样间隔（秒）。 默认值为 1。 例如，pt-diskstats --interval 5 会每 5 秒输出一次统计信息。
• --devices: 指定要监控的磁盘设备。 默认情况下，会监控所有磁盘设备。 例如，pt-diskstats --devices sda,sdb 只会监控 sda 和 sdb。
• --iterations: 指定要运行的迭代次数。 默认情况下，会无限运行。 例如，pt-diskstats --iterations 10 只会运行 10 次迭代。
• --output: 指定输出格式。 默认值为表格格式。 可以使用 --output csv 输出 CSV 格式的数据，方便导入到其他工具进行分析。
• --header: 是否显示标题行。 默认值为显示。 使用 --no-header 可以隐藏标题行。
• --timestamp: 是否显示时间戳。 默认值为显示。 使用 --no-timestamp 可以隐藏时间戳。
• --total: 显示总计。
• --pid: 监视特定进程的I/O。

5. 诊断 I/O 瓶颈的步骤

使用 pt-diskstats 诊断 I/O 瓶颈的步骤如下：

1. 运行 pt-diskstats 并观察输出。 首先，简单地运行 pt-diskstats 命令，观察输出。 关注以下指标：

   • %util: 如果 %util 持续接近 100%，则表示磁盘已经达到饱和状态，很可能存在 I/O 瓶颈。
   • avio_ms: 如果 avio_ms 很高（例如，超过 10 毫秒），则表示 I/O 操作耗时较长，可能是由于磁盘延迟或队列深度过高造成的。
   • rd_s/s 和 wr_s/s: 这两个指标可以帮助我们了解磁盘的读取和写入负载。 如果其中一个指标明显高于另一个，则表示磁盘主要执行读取或写入操作。

2. 缩小范围。 如果发现存在 I/O 瓶颈，需要进一步缩小范围，确定是哪个进程或哪个磁盘设备导致了瓶颈。

   • 使用 --devices 选项指定要监控的磁盘设备。 如果系统中有多个磁盘设备，可以使用 --devices 选项只监控那些可能存在瓶颈的设备。
   • 使用 iotop 或 pidstat -d 命令查看哪些进程正在执行大量的 I/O 操作。 这些工具可以显示每个进程的 I/O 统计信息，帮助我们找到导致 I/O 瓶颈的进程。 iotop 提供实时的 I/O 监控，而 pidstat -d 可以提供历史的 I/O 统计数据。
   • 使用 --pid 选项监控特定进程的I/O。 如果确定了哪个进程导致了I/O，可以使用--pid选项来监控该进程的I/O行为。

3. 分析 I/O 模式。 了解 I/O 模式对于诊断 I/O 瓶颈非常重要。 例如，是随机 I/O 还是顺序 I/O？ 是大块 I/O 还是小块 I/O？

   • avgrq-sz 指标可以帮助我们了解 I/O 操作的块大小。 如果 avgrq-sz 较小，则表示 I/O 操作是小块 I/O，这通常会导致更高的 I/O 延迟。
   • 使用 iostat -x 命令查看 I/O 操作的详细信息。 iostat -x 命令可以显示每个设备的 I/O 操作类型（读取、写入、同步、异步）以及队列长度等信息。

4. 采取相应的措施。 根据诊断结果，采取相应的措施来解决 I/O 瓶颈。 常见的措施包括：

   • 优化数据库查询。 减少不必要的 I/O 操作。
   • 增加内存。 减少磁盘读取操作。
   • 使用更快的存储设备。 例如，将硬盘替换为 SSD。
   • 调整文件系统参数。 例如，调整读写缓存大小。
   • 优化 I/O 调度器。 不同的 I/O 调度器适用于不同的 I/O 模式。
   • 分离 I/O 密集型任务。 将不同的 I/O 密集型任务分配到不同的磁盘设备上。
   • 使用 RAID。 RAID 可以提高 I/O 性能和数据冗余。

6. 实例演示

假设我们发现数据库服务器的性能下降，怀疑存在 I/O 瓶颈。 首先，我们运行 pt-diskstats 命令：

pt-diskstats --interval 5

观察输出，发现 sda 设备的 %util 持续接近 100%，avio_ms 较高（超过 20 毫秒）。 这表明 sda 设备可能存在 I/O 瓶颈。

接下来，我们使用 iotop 命令查看哪些进程正在执行大量的 I/O 操作：

sudo iotop

发现 MySQL 进程（mysqld）占用了大量的 I/O 资源。

为了更精确地了解MySQL进程的I/O行为，可以使用pt-diskstats的--pid选项：

pt-diskstats --interval 5 --pid $(pidof mysqld)

然后，查看MySQL的慢查询日志和数据库连接数，发现存在大量的慢查询和大量的并发连接。 这表明数据库查询存在性能问题，导致了大量的 I/O 操作。

最后，我们优化了数据库查询，并增加了数据库连接池的大小。 再次运行 pt-diskstats 命令，发现 sda 设备的 %util 降到了 50% 左右，avio_ms 也降到了 5 毫秒以下。 数据库服务器的性能得到了显著提升。

7. 高级用法：结合其他工具进行分析

pt-diskstats 可以与其他工具结合使用，进行更深入的分析。 例如：

• 使用 sar 命令收集系统性能数据。 sar 命令可以收集 CPU 使用率、内存使用率、磁盘 I/O 等各种系统性能数据，并将其保存到文件中。 我们可以使用 pt-diskstats 收集磁盘 I/O 数据，然后使用 sar 命令收集其他系统性能数据，并将它们关联起来进行分析。
• 使用 Grafana 和 Prometheus 可视化 pt-diskstats 的输出。 可以将 pt-diskstats 的输出导入到 Prometheus 中，然后使用 Grafana 创建仪表盘，实时监控磁盘 I/O 性能。
• 结合 perf 工具进行性能分析。 perf 是 Linux 内核自带的性能分析工具，可以用来分析 CPU 使用率、内存访问模式、I/O 操作等。 可以将 pt-diskstats 的输出与 perf 的输出结合起来，进行更深入的性能分析。

8. 总结和建议

pt-diskstats 是一个非常有用的工具，可以帮助我们诊断 I/O 瓶颈。 通过观察 %util、avio_ms 等指标，可以快速定位 I/O 瓶颈所在。 结合其他工具，可以进行更深入的分析。

希望今天的分享对大家有所帮助。 谢谢！

简要概括：
我们学习了如何使用 pt-diskstats 来诊断 I/O 瓶颈，它通过分析 /proc/diskstats 文件中的数据，并结合其他工具，可以帮助我们有效地定位和解决 I/O 问题。 最后，我们讨论了优化 I/O 性能的一些常见策略。