性能分析（7）- 未利用系统缓存导致 I/O 缓慢案例

性能分析小案例系列，可以通过下面链接查看哦

https://www.cnblogs.com/poloyy/category/1814570.html

前提

前面有学到 Buffer 和 Cache 的概念：https://www.cnblogs.com/poloyy/p/13503848.html

我们来简单复习下

Buffer 和 Cache 的设计目的

为了提升系统的 I/O 性能，它们利用内存，充当起慢速磁盘和快速 CPU 之间的桥梁，可以加速 I/O 的访问速度

Buffer 和 Cache

BUffer：对磁盘的读写数据缓存
Cache：对文件系统的读写数据缓存

读写角度

从写的角度来说，不仅可以优化磁盘和文件的写入，对应用程序也有好处，应用程序可以在数据真正落盘前，就返回去做其他工作
从读的角度来说，不仅可以提高那些频繁访问数据的读取速度，也可以降低频繁 I/O 对磁盘的压力

引入主题

既然 Buffer 和 Cache 对系统性能有很大影响，那我们在软件开发的过程中，能不能利用这一点，来优化 I/O 性能，提升应用程序的运行效率呢？答案自然是肯定的

缓存命中率

灵魂拷问

我们想利用缓存来提升程序的运行效率，应该怎么评估这个效果呢？换句话说，有没有哪个指标可以衡量缓存使用的好坏呢？

灵魂回答

缓存命中率
指直接通过缓存获取数据的请求次数，占所有数据请求次数的百分比【使用缓存请求次数 / 总请求次数】
命中率越高，表示使用缓存带来的收益越高，应用程序的性能也就越好

缓存的重要性

缓存是现在所有高并发系统必需的核心模块
主要作用：把经常访问的数据（热点数据），提前读入到内存中，下次访问时就可以直接从内存读取数据，而不需要经过硬盘，从而加快应用程序的响应速度

cachestat、cachetop

独立的缓存模块通常会提供查询接口，方便我们随时查看缓存的命中情况

不过 Linux 系统中并没有直接提供这些接口，所以这里要介绍一下，cachestat 和 cachetop ，它们正是查看系统缓存命中情况的工具

cachestat 提供了整个操作系统缓存的读写命中情况
cachetop 提供了每个进程的缓存命中情况

Ubuntu 安装工具

sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-keys 4052245BD4284CDD

echo "deb https://repo.iovisor.org/apt/xenial xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/iovisor.list

sudo apt-get update

sudo apt-get install -y bcc-tools libbcc-examples linux-headers-$(uname -r)

配置环境变量

vim /etc/profile

# 在文件结尾处添加

export PATH=$PATH:/usr/share/bcc/tools

# 保存文件后

source /etc/profile

cachestat

# 它以  秒的时间间隔，输出了  组缓存统计数据

cachestat

字段说明

cachetop

cachetop

默认按照缓存的命中次数（HITS）排序，展示了每个进程的缓存命中情况
具体到每一个指标，这里的 HITS、MISSES 和 DIRTIES ，跟 cachestat 里的含义一样，分别代表间隔时间内的缓存命中次数、未命中次数以及新增到缓存中的脏页数
READ_HIT：读的缓存命中率
WRITE_HIT：写的缓存命中率

查看文件的缓存大小

可以使用 pcstat 这个工具，来查看文件在内存中的缓存大小以及缓存比例

安装 pcstat

# 安装 go

apt install golang-go

vim /etc/profile

# 在文件结尾处添加

export GOPATH=~/go

export PATH=~/go/bin:$PATH

# 保存文件后

source /etc/profile

go get golang.org/x/sys/unix

go get github.com/tobert/pcstat/pcstat

运行 pcstat

pcstat /bin/ls

Cached 就是 /bin/ls 在缓存中的大小，而 Percent 则是缓存的百分比，看到它们都是 0，这说明 /bin/ls 并不在缓存中

执行 ls 命令，再来查看

ls

pcstat /bin/ls

发现都在缓存中了

讲案例前的准备

系统：Ubuntu 18.04，当然同样适用于其他的 Linux 系统。
机器配置：2 CPU，2 GB 内存
预先按照上面的步骤安装 bcc 和 pcstat 软件包，并把这些工具的安装路径添加到到 PATH 环境变量中
预先安装 Docker 软件包： apt-get install docker.io
打开两个终端同时连到 Linux 上

案例一：通过 dd 写入读取文件

注意：没说第几个终端都是默认第一个终端执行命令哦

dd 命令生成一个临时文件

# 生成一个 512MB 的临时文件

dd if=/dev/sda1 of=file bs=1M count=

# 清理缓存

echo  > /proc/sys/vm/drop_caches

运行 pcstat 查看 file 文件

pcstat file

确认刚刚生成的文件不在缓存中。如果一切正常，会看到 Cached 和 Percent 都是 0

运行 cachetop

# 每隔  秒刷新一次数据

cachetop

第二个终端运行 dd 命令

dd if=file of=/dev/null bs=1M

从 dd 的结果可以看出，这个文件的读性能是 639 MB/s
由于在 dd 命令运行前我们已经清理了缓存，所以 dd 命令读取数据时，肯定要通过文件系统从磁盘中读取

查看 cachetop

可以看到 dd 命令并不是所有的读都落到了磁盘上，读请求的缓存命中率只有 50%

第二个终端再次运行 dd 命令

dd if=file of=/dev/null bs=1M

磁盘的读性能蹭蹭蹭往上涨，去到了 1.6GB/s

再查看 cachetop

可以发现，这次读的缓存命中率是 100%

第二个终端运行 pcstat

pcstat  file

测试文件已经被全部缓存起来了，和刚刚 cachetop 观察到缓存命中率 100% 是一致的

总结

这两次结果说明，系统缓存对第二次 dd 操作有明显的加速效果，可以大大提高文件读取的性能。

案例二

前提

这里运行了一个不可中断状态的进程
功能：是每秒从磁盘分区 /dev/sda1 中读取 32MB 的数据，并打印出读取数据花费的时间

查看应用日志

从这里可以看到，每读取 32 MB 的数据，就需要花 0.9 秒

灵魂拷问

这个时间合理吗？这也太慢了吧，那这是不是没用系统缓存导致的呢？

查看 cachetop

结果分析

读的命中率虽然是 100%，命中次数是 1024，看起来全部的读请求都经过了系统缓存

灵魂又拷问了

全都是缓存 I/O，读取速度不应该这么慢

深入分析

另一个重要因素，每秒实际读取的数据大小，HITS 代表缓存的命中次数，那么每次命中能读取多少数据呢？自然是一页
内存以页为单位进行管理，而每个页的大小是 4KB
所以，在 5 秒的时间间隔里，命中的缓存为 1024*4K/1024 = 4MB，再除以 5 秒，可以得到每秒读的缓存是 0.8MB，显然跟案例应用的 32 MB/s 相差太多

结果猜想

这个案例估计没有充分利用系统缓存，如果系统调用设置直接 I/O 的标志，就可以绕过系统缓存

通过 strace 观察系统调用

strace -p $(pgrep app)

结果分析

从 strace 的结果可以看到，案例应用调用了 openat 来打开磁盘分区 /dev/sdb1，并且传入的参数为 O_RDONLY|O_DIRECT（中间的竖线表示或）
O_RDONLY 表示以只读方式打开
而 O_DIRECT 则表示以直接读取的方式打开，这会绕过系统的缓存
验证了这一点，就很容易理解为什么读 32 MB 的数据就都要那么久了
直接从磁盘读写的速度，自然远慢于对缓存的读写，这也是缓存存在的最大意义了

查看应用源码

它果然用了直接 I/O

修改源代码

删除 O_DIRECT 选项，让应用程序使用缓存 I/O ，而不是直接 I/O，就可以加速磁盘读取速度

验证修复后的应用

查看新应用的日志

结果分析

现在，每次只需要 0.03 秒，就可以读取 32MB 数据，明显比之前的 0.9 秒快多了。所以，这次应该用了系统缓存

再次查看 cachetop

结果分析

果然，读的命中率还是 100%，HITS （即命中数）却变成了 40960
同样的方法计算一下，换算成每秒字节数正好是 32 MB（即 40960*4k/5/1024=32M）

总结

在进行 I/O 操作时，充分利用系统缓存可以极大地提升性能。
但在观察缓存命中率时，还要注意结合应用程序实际的 I/O 大小，综合分析缓存的使用情况

扩展

为什么优化前，通过 cachetop 只能看到很少一部分数据的全部命中，而没有观察到大量数据的未命中情况呢？

回答

是因为，cachetop 工具并不把直接 I/O 算进来