找出磁盘IO的瓶颈之后，就可以进行性能优化了，也就是如何以最快的速度完成IO操作/减少甚至避免磁盘的IO操作。

那么，如何进行磁盘IO优化呢？

优化之前，先确定IO性能优化的目标。换句话说，这些IO性能指标(比如IOPS、吞吐量、延迟等)，要达到多少才何时呢？

事实上，IO性能指标是没有具体标准的，因为应用场景、使用的文件系统和物理磁盘等不同。

为了更客观合理的评估优化效果，我们首先应该对磁盘和文件系统进行基准测试，得到文件系统或者磁盘IO的极限性能。

• fio(flexible IO Tester)是最常用的文件系统和磁盘IO性能基准测试工具。
• 它提供了大量的可定制化选项，可以用来测试，裸盘或者文件系统在各种场景下的IO性能，包括了不同块大小、不同IO引擎以及是否使用缓存等场景。

安装方法如下：

安装完成后，就可以执? man fio 查询它的使法。

一些比较常见的场景用法：

在这其中，有?个参数需要你重点关注?下。

• direct，表示是否跳过系统缓存。上?示例中，我设置的 1 ，就表示跳过系统缓存。
• iodepth，表示使?异步 I/O（asynchronous I/O，简称AIO）时，同时发出的 I/O 请求上限。在上?的示例中，设置的是64。
• rw，表示 I/O 模式。示例中， read/write 分别表示顺序读/写，? randread/randwrite 则分别表示随机读/写。
• ioengine，表示 I/O 引擎，它?持同步（sync）、异步（libaio）、内存映射（mmap）、?络（net）等各种 I/O 引擎。上?示例中，设置的 libaio 表示使?异步 I/O。
• bs，表示 I/O 的。示例中，设置成了 4K（这也是默认值）。
• filename，表示?件路径，当然，它可以是磁盘路径（测试磁盘性能），也可以是?件路径（测试?件系统性能）。示例中，设置成了磁盘 /dev/sdb。不过注意，?磁盘路径测试写，会破坏这个磁盘中的?件系统，所以在使?前，?定要事先做好数据备份。

下?是使? fio 测试顺序读的?个报告示例。

这个报告中，需要我们重点关注的是， slat、clat、lat ，以及 bw 和 iops 这。

先来看刚刚提到的前三个参数。事实上，slat、clat、lat 都是指 I/O 延迟（latency）。不同之处在于：

• slat ，是指从 I/O 提交到实际执? I/O 的时?（Submission latency）；
• clat ，是指从 I/O 提交到 I/O 完成的时?（Completion latency）；
• ? lat ，指的是从fio 创建 I/O 到 I/O 完成的总时?。

这里需要注意的是，对同步IO来说，由于IO提交和IO完成是一个动作，所以slat实际上就是IO完成的时间，而clat是0。?从示例可以看到，使?异步 I/O（libaio）时，lat 近似等于 slat + clat之和。

再来看bw ，它代表吞吐量。在上?的示例中，你可以看到，平均吞吐量?约是 16 MB（17005 KiB/1024）。

最后的iops ，其实就是每秒 I/O 的次数，上?示例中的平均 IOPS 为 4250。

通常情况下，应用程序的IO都是读写并行的，而且每次的IO大小也不一定相同。所以，刚刚说的这几种场景，并不能精确模拟应用程序的IO模式。那么怎么才能精确模拟应用程序的IO模式呢？

fio支持IO的重放。借助blktrace，在配合上fio，就可以实现对应用程序IO模式的基准测试。

可以先用blktrace，记录磁盘设备的IO访问情况；然后使用fio，重放blktrace的记录。比如：

这样，我们就通过 blktrace+fio 的组合使?，得到了应?程序 I/O 模式的基准测试报告。

得到 I/O 基准测试报告后，然后找出 I/O 的性能瓶颈并优化，就是?到渠成的事情了。当
然， 想要优化I/O 性能，肯定离不开 Linux 系统的 I/O 栈图的思路辅助。

可以从应用程序、文件系统以及磁盘角度来优化IO

首先，我们来看一下，从应用程序的角度有哪些优化IO的思路。

应用程序处于整个IO栈的最上端，它可以通过系统调用，来调整IO模式（顺序/随机、同步/异步），同时，它也是IO数据的最终来源。常见优化方法：

• （1）可以使用追加写代替随机写，减少寻址开销，加快IO写的速度
• （2）可以借助缓存IO，充分利用系统缓存，降低实际IO的次数
• （3）可以在应用程序内部构建自己的缓存，或者用redis这类外部缓存系统。
  • 这样，一方面，能够在应用程序内部，控制缓存的数据和生命周期；
  • 另一方面，也能降低其他应用程序使用缓存对自身的影响。
  • 比如，C标准库提供的fopen、fread等函数，都会利用标准库的缓存，减少磁盘的操作。如果直接使用open、read等系统调用时，就只能利用操作系统提供的页缓存和缓冲区等，而没有库函数的缓存可用。
• （4）在需要频繁读写同一块磁盘空间时，可以用mmap代替read/write，减少内存的拷贝次数
• （5）在需要同步写的场景中，尽量将写请求合并，而不是让每个请求都同步写入磁盘，即可以利用fsync() 取代 O_SYNC。
• （6）在多个应用程序共享相同磁盘时，为了保证IO不被某个应用完全占用，推荐使用cgroups的IO子系统，来限制进程/进程组的IOPS以及吞吐量
• （7）在使? CFQ 调度器时，可以? ionice 来调整进程的 I/O 调度优先级，特别是提?核?应?的 I/O 优先级。ionice ?持三个优先级类：Idle、Best-effort 和 Realtime。其中， Best-effort 和 Realtime 还分别?持 0-7 的级别，数值越?，则表示优先级别越?。

应用程序访问普通文件时，实际是由文件系统间接负责文件在磁盘中的读写。所以，跟文件系统中相关的也有很多优化IO性能的方式：

• （1） 可以根据实际负载场景的不同，选择最合适的文件系统

  • ?如Ubuntu 默认使? ext4 ?件系统，? CentOS 7 默认使? xfs ?件系统。
  • 相?于 ext4 ，xfs ?持更?的磁盘分区和更?的?件数量，如 xfs ?持?于16TB 的磁盘。但是 xfs ?件系统的缺点在于?法收缩，? ext4 则可以。

• （2）在选好?件系统后，还可以进?步优化?件系统的配置选项，包括?件系统的特性（如ext_attr、dir_index）、?志模式（如journal、ordered、writeback）、挂载选项（如noatime）等等。

  • ?如， 使?tune2fs 这个?具，可以调整?件系统的特性（tune2fs 也常?来查看?件系统超级块的内容）。
  • ?通过 /etc/fstab，或者 mount 命令?参数，我们可以调整?件系统的?志模式和挂载选项等。

• （3） 可以优化?件系统的缓存。

  • ?如，可以优化 pdflush 脏?的刷新频率（?如设置 dirty_expire_centisecs 和dirty_writeback_centisecs）以及脏?的限额（?如调整 dirty_background_ratio 和 dirty_ratio等）。
  • ?如，可以优化内核回收?录项缓存和索引节点缓存的倾向，即调整vfs_cache_pressure（/proc/sys/vm/vfs_cache_pressure，默认值100），数值越?，就表示越容易回收。

• （4）在不需要持久化时，还可以利用内存文件系统fs，以获得更改的IO性能。

  • tmpfs把数据直接保存在内存中，而不是在磁盘中。
  • 比如/dev/shm/ ，就是?多数 Linux 默认配置的?个内存?件系统，它的默认为总内存的?半。

数据的持久化存储，最终还是要落在具体的物理磁盘中，同时，磁盘也是整个IO栈的最底层。从磁盘角度出发，自然也有很多有效的优化方法

• （1）最简单有效的优化方法，就是换用更好的磁盘，比如用SSD替代HDD
• （2）我们可以使用RAID，把多个磁盘组成一个逻辑磁盘，构成冗余独立磁盘阵列。这样做既可以提高数据的可靠性，又可以提高数据的访问性能
• （3）针对磁盘和应用程序IO模式的特性，我们可以选择最合适的IO调度算法。比如，SSD和虚拟机中的磁盘，通常用noop调度算法；而数据库应用建议使用deadline算法
• （4）我们可以对应用程序的数据，进行磁盘级别的隔离。比如，我们可以为日志、数据库等IO压力比较重的应用，配置单独的磁盘
• （5）在顺序读比较多的场景中，我们可以增大磁盘的预读数据，?如，你可以通过下?两种?法，调整 /dev/sdb 的预读。
  • 调整内核选项 /sys/block/sdb/queue/read_ahead_kb，默认是 128 KB，单位为KB。
  • 使? blockdev ?具设置，?如 blockdev --setra 8192 /dev/sdb，注意这?的单位是 512B（0.5KB），所以它的数值总是read_ahead_kb 的两倍。
• （6）我们可以优化内核块设备IO的选项。?如，可以调整磁盘队列的?度 /sys/block/sdb/queue/nr_requests，适当增?队列?度，可以提升磁盘的吞吐量（当然也会导致 I/O 延迟增?）。
• （7）最后要注意，磁盘本身出现硬件错误，也会导致IO性能急剧下降，所以发现磁盘性能急剧下降时，先确定，磁盘本身是不是出现了硬件错误。
  • ?如，可以查看 dmesg 中是否有硬件 I/O 故障的?志。
  • 还可以使? badblocks、smartctl等?具，检测磁盘的硬件问题，或? e2fsck 等来检测?件系统的错误。如果发现问题，你可以使? fsck 等?具来修复。

发现 I/O 性能问题后，不要急于动?优化，?要先找出最重要的、可以最?程度提升性能的问题，然后再从 I/O 栈的不同层，考虑具体的优化?法。

记住，磁盘和文件系统的IO，通常是整个系统中最慢的一个模块。所以，在优化IO问题时，除了可以优化IO的执行流程，还可以接祖更快的内存、网络、CPU等，减少IO调用

?如，你可以充分利?系统提供的 Buffer、Cache ，或是应?程序内部缓存， 再或者Redis 这类的外部缓存系统