FIO测试参数与linux内核IO栈的关联分析-part2

发布时间：2023年12月20日

?二、FIO工具简介

我们在linux环境中，有一个常见测试SSD性能的工具叫做FIO。FIO (Flexible I/O Tester) 是一个强大的开源I/O基准测试工具，主要用于测试存储设备的性能，包括硬盘、固态硬盘 (SSD)、网络存储系统（如NAS和SAN）以及各种类型的存储接口，如 SATA、NVMe、SCSI 和 USB 等。

以下是对FIO主要特性和功能的介绍：

多功能性：
FIO支持多种不同的工作负载模式，包括顺序读写、随机读写、混合读写以及基于突发和延迟的测试。这使得FIO能够模拟各种实际应用环境中的I/O行为。
并行测试：
FIO允许用户定义多个并发的jobs，每个job可以包含一个或多个线程（threads）。这种并行测试能力使得FIO能够评估存储设备在高并发访问情况下的性能。
自定义参数：
用户可以自由设置各种测试参数，如块大小、队列深度（queue depth或iodepth）、读写比例（rw mix）、访问模式（random或sequential）、I/O引擎（ioengine）、是否直接I/O（direct=1）等。这些参数可以帮助模拟不同的工作负载和压力测试场景。
多平台支持：
FIO可以在多种操作系统上运行，包括Linux、FreeBSD、macOS和Windows等。
详尽的报告：
FIO提供了详细的测试结果报告，包括吞吐量、IOPS（每秒输入/输出操作次数）、响应时间（latency）、带宽等性能指标。这些报告有助于分析和优化存储系统的性能。
灵活的配置：
FIO的配置文件格式非常灵活，用户可以通过编写简单的文本文件来定义复杂的测试场景和序列。
低级别控制：
FIO可以直接与存储设备驱动程序交互，进行低级别的I/O操作，这使得它能够更准确地测量和分析存储系统的底层性能。

三、FIO参数与IO栈的关联

在Linux内核中，FIO的queue depth (qd或iodepth) 主要对应于I/O调度器和设备驱动程序的部分。

当FIO设置了一个特定的queue depth进行测试时，以下是在Linux内核中发生的过程：

I/O调度器：
I/O调度器是Linux内核的一部分，负责管理硬盘请求队列。它接收来自应用程序（如FIO）的I/O请求，并根据一定的策略决定何时将这些请求发送到实际的存储设备。队列深度在这里起着关键作用，因为它决定了同时在等待处理的未完成I/O请求的最大数量。

设备驱动程序：
设备驱动程序是内核与硬件设备之间的接口。对于SSD来说，驱动程序会将I/O调度器传递过来的请求转换为具体的命令，并通过总线（如SATA、NVMe等）发送到SSD控制器。SSD控制器本身也有一个内部的命令队列，它可以并行处理多个I/O请求。

影响SSD性能：
Queue depth对SSD性能的影响主要体现在以下几个方面：

- 并行处理能力：现代SSD通常具有很高的并行处理能力，能够同时处理多个I/O请求。适当的queue depth设置可以充分利用这种并行性，提高整体的I/O吞吐量和响应时间。
- 控制器饱和：如果queue depth设置得过高，超过了SSD控制器的处理能力，可能会导致控制器饱和，反而降低性能。这是因为过多的未完成请求会导致控制器内部资源的竞争和浪费。
- 延迟：对于随机访问模式，适当的queue depth可以帮助平滑延迟波动。过低的queue depth可能导致频繁的上下文切换和等待，而过高的queue depth可能导致请求在控制器内部排队，增加平均服务时间。

调整FIO的queue depth是一个平衡并行处理能力和防止控制器饱和的过程。

除了QD，FIO的jobs和threads主要对应于进程调度器和CPU资源管理的部分。

当FIO设置了一个特定的jobs数量和可能的线程数进行测试时，以下是在Linux内核中发生的过程：

进程调度器：
进程调度器是Linux内核的一部分，负责管理系统的进程和线程。当FIO启动多个jobs（每个job可能包含一个或多个线程）时，调度器会将这些进程和线程分配到可用的CPU核心上执行。
CPU资源管理：
每个job和线程都会占用一定的CPU资源来执行其任务，包括发出I/O请求、处理I/O完成事件以及计算和记录性能指标等。内核的CPU资源管理机制（如时间片轮转调度、优先级调度等）会确保各个进程和线程公平地共享CPU资源。
影响SSD性能：
Jobs和threads的数量对SSD性能的影响主要体现在以下几个方面：

- 并行度：通过增加jobs和threads的数量，可以提高对SSD的并行访问程度，这在多核系统中尤其重要。更多的并发线程可以同时发出I/O请求，理论上可以提高SSD的吞吐量和利用率。
- CPU利用率：过多的jobs和threads可能会导致CPU资源争抢和过载，从而影响整体系统性能，包括SSD的I/O性能。适当的jobs和threads数量应考虑到系统的CPU核心数量和负载情况。
- 缓存和内存管理：每个job和线程都有自己的内存空间和缓存，过多的jobs和threads可能会增加内存使用和缓存冲突，影响数据的读写效率。
- 硬件限制：虽然增加jobs和threads可以提高并行度，但如果超过了SSD的实际并行处理能力（例如控制器的队列深度或并行命令限制），那么额外的jobs和threads可能无法带来性能提升，反而可能导致内部资源的竞争和浪费。

调整FIO的jobs和threads数量是一个平衡并行度、CPU资源利用和硬件限制的过程。

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