fio（Flexible I/O Tester）正是非常常用的文件系统和磁盘 I/O 性能基准测试工具。提供了大量的可定制化选项，可以用来测试，裸盘、一个单独的分区或者文件系统在各种场景下的 I/O 性能，包括了不同块大小、不同 I/O 引擎以及是否使用缓存等场景。

ubuntu安装fio非常简单

root@nvme:~# apt install -y fio

fio选项比较多，可以通过man fio查看，下面是比较常用的几个参数及说明

  • direct，表示是否跳过系统缓存，1表示跳过系统缓存。
  • iodepth，表示使用异步 I/O（asynchronous I/O，简称 AIO，ioengine=libaio）时，同时发出的 I/O 请求上限。
  • rw，表示 I/O 模式。read/write 分别表示顺序读 / 写，而 randread/randwrite 则分别表示随机读 / 写，randrw配合rwmixwrite分别表示混合测试及写占比。
  • ioengine，表示 I/O 引擎，它支持同步（sync）、异步（libaio）、内存映射（mmap）、网络（net）等各种 I/O 引擎
  • bs，表示 I/O 的大小。默认值是4KiB
  • filename，表示文件路径，可以是磁盘路径（测试磁盘性能），也可以是文件路径（测试文件系统性能）

  • size，寻址空间，IO会落在 [0, size)这个区间的硬盘空间上。这是一个可以影响IOPS的参数。一般设置为硬盘的大小

  • runtime，运行时间

  • numjobs，并行job数，默认1

  • group_reporting，聚合job的测试结果

四个核心磁盘IO性能指标

介绍完工具，我们来介绍一下IO的性能指标，工具只是直观的给出测试结果，对指标的解读才是评估IO性能的依据，磁盘I/O的核心指标包括，

使用率，是指磁盘忙处理 I/O 请求的百分比

IOPS（Input/Output Per Second），是指每秒的 I/O 请求数

吞吐量，是指每秒的 I/O 请求大小

响应时间，是指从发出 I/O 请求到收到响应的间隔时间

如果孤立的看通过工具得来的指标数据是没有意义的，也就是说一定要结合场景及硬件特性来观测指标数据，如我的测试环境金士顿NVME SSD盘（下图截自金士顿官网）明确标出读/写速度3500MB/秒和2100MB/秒（MB=10^6）

先来一个read测试



  1. 

    

    

    

    # fio job文件nread.fio
    

    2. 

  2. 

    

    

    

    root@nvme:~/fio# cat nread.fio
    

    3. 

  3. 

    

    

    

    [global]
    

    4. 

  4. 

    

    

    

    bs=4096
    

    5. 

  5. 

    

    

    

    rw=read
    

    6. 

  6. 

    

    

    

    ioengine=libaio
    

    7. 

  7. 

    

    

    

    size=50G
    

    8. 

  8. 

    

    

    

    direct=1
    

    9. 

  9. 

    

    

    

    iodepth=256
    

    10. 

  10. 

    

    

    

    iodepth_batch=128
    

    11. 

  11. 

    

    

    

    iodepth_low=128
    

    12. 

  12. 

    

    

    

    iodepth_batch_complete=128
    

    13. 

  13. 

    

    

    

    userspace_reap
    

    14. 

  14. 

    

    

    

    group_reporting
    

    15. 

  15. 

    

    

    

    [test]
    

    16. 

  16. 

    

    

    

    numjobs=1
    

    17. 

  17. 

    

    

    

    filename=/dev/nvme0n1
    

    18. 

  18. 

    

    

    

     
    

    19. 

  19. 

    

    

    

    # 执行测试及输出结果
    

    20. 

  20. 

    

    

    

    root@nvme:~/fio# fio nread.fio
    

    21. 

  21. 

    

    

    

    test: (g=0): rw=read, bs=(R) 4096B-4096B, (W) 4096B-4096B, (T) 4096B-4096B, ioengine=libaio, iodepth=256
    

    22. 

  22. 

    

    

    

    fio-3.28
    

    23. 

  23. 

    

    

    

    Starting 1 process
    

    24. 

  24. 

    

    

    

    Jobs: 1 (f=1): [R(1)][100.0%][r=2908MiB/s][r=744k IOPS][eta 00m:00s]
    

    25. 

  25. 

    

    

    

    test: (groupid=0, jobs=1): err= 0: pid=1509: Wed May 10 12:54:46 2023
    

    26. 

  26. 

    

    

    

      read: IOPS=728k, BW=2842MiB/s (2980MB/s)(50.0GiB/18015msec)
    

    27. 

  27. 

    

    

    

        slat (usec): min=70, max=856, avg=91.24, stdev= 9.05
    

    28. 

  28. 

    

    

    

        clat (usec): min=60, max=20044, avg=247.35, stdev=100.53
    

    29. 

  29. 

    

    

    

         lat (usec): min=159, max=20901, avg=338.61, stdev=102.93
    

    30. 

  30. 

    

    

    

        clat percentiles (usec):
    

    31. 

  31. 

    

    

    

         |  1.00th=[  149],  5.00th=[  194], 10.00th=[  200], 20.00th=[  212],
    

    32. 

  32. 

    

    

    

         | 30.00th=[  225], 40.00th=[  231], 50.00th=[  237], 60.00th=[  245],
    

    33. 

  33. 

    

    

    

         | 70.00th=[  258], 80.00th=[  273], 90.00th=[  302], 95.00th=[  347],
    

    34. 

  34. 

    

    

    

         | 99.00th=[  433], 99.50th=[  457], 99.90th=[  537], 99.95th=[  570],
    

    35. 

  35. 

    

    

    

         | 99.99th=[  668]
    

    36. 

  36. 

    

    

    

       bw (  MiB/s): min= 2383, max= 2914, per=100.00%, avg=2843.14, stdev=134.15, samples=36
    

    37. 

  37. 

    

    

    

       iops        : min=610048, max=745984, avg=727843.56, stdev=34342.08, samples=36
    

    38. 

  38. 

    

    

    

      lat (usec)   : 100=0.14%, 250=64.34%, 500=35.33%, 750=0.19%, 1000=0.01%
    

    39. 

  39. 

    

    

    

      lat (msec)   : 20=0.01%, 50=0.01%
    

    40. 

  40. 

    

    

    

      cpu          : usr=12.67%, sys=54.62%, ctx=114337, majf=0, minf=268
    

    41. 

  41. 

    

    

    

      IO depths    : 1=0.0%, 2=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, >=64=100.0%
    

    42. 

  42. 

    

    

    

         submit    : 0=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=100.0%
    

    43. 

  43. 

    

    

    

         complete  : 0=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=100.0%
    

    44. 

  44. 

    

    

    

         issued rwts: total=13107200,0,0,0 short=0,0,0,0 dropped=0,0,0,0
    

    45. 

  45. 

    

    

    

         latency   : target=0, window=0, percentile=100.00%, depth=256
    

    46. 

  46. 

    

    

    

     
    

    47. 

  47. 

    

    

    

    Run status group 0 (all jobs):
    

    48. 

  48. 

    

    

    

       READ: bw=2842MiB/s (2980MB/s), 2842MiB/s-2842MiB/s (2980MB/s-2980MB/s), io=50.0GiB (53.7GB), run=18015-18015msec
    

    49. 

  49. 

    

    

    

     
    

    50. 

  50. 

    

    

    

    Disk stats (read/write):
    

    51. 

  51. 

    

    

    

      nvme0n1: ios=203471/0, merge=12818862/0, ticks=54295/0, in_queue=54295, util=99.48%

测试结果分析，分别使用iodepth=256、128、64、32、16、8进行测试，iodepth=256、iodepth_batch=128、iodepth_low=128、iodepth_batch_complete=128这一组参数结果最好，顺序读吞吐量（BW）峰值接近3000MB，距离厂商3500MB/秒的读速率稍有差距，差距在哪里呢？Linux内核NVME驱动为了其通用性和冗长的IO栈，并不能完全发挥其硬件性能，所以当下如SPDK等绕过内核的用户态NVME驱动已成为高性能存储首选技术方案，后续spdk文章会结束相关内容

iodepth_batch(等同于iodepth_batch_submit)，批次提交，默认1，即立即提交

iodepth_low(low water mark，队列低于此值时开始填充队列)，默认等于iodepth，fio总是尝试保持IO队列状态为满

iodepth_batch_complete(等同于iodepth_batch_complete_min)，默认1，即有完成IO立即处理，该参数可以reduce latency

这几个参数对结果影响很大，详见man fio

除了iops、BW、latency几个主要IO指标外，需要注意latency的min、max、stdev数据，如果数据相对离散也就是stdev值异常，说明IO性能有可能出现长尾，此外还应该注意clat percentiles累积直方图数据，关于累积直方图，可以参考Promethues的HISTOGRAMS AND SUMMARIES

IO队列

fio测试，iodepth相关几个参数对测试结果影响非常明显，256为什么会稳定好于128，128则稳定好于64呢？



  1. 

    

    

    

    root@nvme:~# lsscsi -lll
    

    2. 

  2. 

    

    

    

    [1:0:0:0]    disk    ATA      ST2000DM008-2FR1 0001  /dev/sda
    

    3. 

  3. 

    

    

    

      device_blocked=0
    

    4. 

  4. 

    

    

    

      iocounterbits=32
    

    5. 

  5. 

    

    

    

      iodone_cnt=0x2d0b
    

    6. 

  6. 

    

    

    

      ioerr_cnt=0x25
    

    7. 

  7. 

    

    

    

      iorequest_cnt=0x2f1f
    

    8. 

  8. 

    

    

    

      queue_depth=32
    

    9. 

  9. 

    

    

    

      queue_type=simple
    

    10. 

  10. 

    

    

    

      scsi_level=6
    

    11. 

  11. 

    

    

    

      state=running
    

    12. 

  12. 

    

    

    

      timeout=30
    

    13. 

  13. 

    

    

    

      type=0
    

    14. 

  14. 

    

    

    

    [N:0:1:1]    disk    KINGSTON SNV2S1000G__1                     /dev/nvme0n1
    

    15. 

  15. 

    

    

    

      capability=40
    

    16. 

  16. 

    

    

    

      ext_range=256
    

    17. 

  17. 

    

    

    

      hidden=0
    

    18. 

  18. 

    

    

    

      nsid=1
    

    19. 

  19. 

    

    

    

      range=0
    

    20. 

  20. 

    

    

    

      removable=0
    

    21. 

  21. 

    

    

    

      nr_requests=255
    

    22. 

  22. 

    

    

    

      read_ahead_kb=128
    

    23. 

  23. 

    

    

    

      write_cache=write back
    

    24. 

  24. 

    

    

    

      logical_block_size=512
    

    25. 

  25. 

    

    

    

      physical_block_size=512
    

    26. 

  26. 

    

    

    

     
    

    27. 

  27. 

    

    

    

     
    

    28. 

  28. 

    

    

    

    # 或通过sysfs查看nvme0n1 device的队列深度
    

    29. 

  29. 

    

    

    

    root@nvme:~/fio# cat /sys/devices/pci0000\:00/0000\:00\:1b.0/0000\:02\:00.0/nvme/nvme0/nvme0n1/queue/nr_requests
    

    30. 

  30. 

    

    

    

    255
    

    31. 

  31. 

    

    

    

    root@nvme:~/fio#

无论是通过lsscsi -l还是通过sysfs查看，nvme0n1的队列深度是256，再次运行fio，同时打开iostat -x 2观测nvme设备队列相关指标数据



  1. 

    

    

    

    Device            r/s     rkB/s   rrqm/s  %rrqm r_await rareq-sz     w/s     wkB/s   wrqm/s  %wrqm w_await wareq-sz     d/s     dkB/s   drqm/s  %drqm d_await dareq-sz     f/s f_await  aqu-sz  %util
    

    2. 

  2. 

    

    

    

    loop5            0.00      0.00     0.00   0.00    0.00     0.00    0.00      0.00     0.00   0.00    0.00     0.00    0.00      0.00     0.00   0.00    0.00     0.00    0.00    0.00    0.00   0.00
    

    3. 

  3. 

    

    

    

    nvme0n1       5286.00 1353216.00 333031.00  98.44    0.33   256.00    0.00      0.00     0.00   0.00    0.00     0.00    0.00      0.00     0.00   0.00    0.00     0.00    0.00    0.00    1.75 100.00
    

    4. 

  4. 

    

    

    

    sda              0.00      0.00     0.00   0.00    0.00     0.00    0.00      0.00     0.00   0.00    0.00     0.00    0.00      0.00     0.00   0.00    0.00     0.00    0.00    0.00    0.00   0.00

通过测试发现，当rw=read时，iostat输出rareq-sz几乎稳定等于256，而当rw=write时，wareq-sz稳定等于256，而增加iodepth至更大时fio和iostat指标数据都几乎无变化，但是减小时iops、BW等数据均会减少

通过SATA盘再次验证则数据变化不明显

另外，对于顺序读写，numjobs=1（IOPS=728k, BW=2842MiB/s）能够获得最好的收益（指标数据最好），numjobs增加时，指标数据会线性减少，当numjob=2（IOPS=393k, BW=1536MiB/s）、numjob=4（IOPS=400k, BW=1562MiB/s）、numjob=8（IOPS=366k, BW=1430MiB/s）

混合随机读写（读写比例80/20）

随机读写不同于顺序读写，混合随机读写场景更加贴近于真实场景，iops和BW都要小的多，测试如下，调整iodepth及numjobs测试结果见下表：



  1. 

    

    

    

    [global]
    

    2. 

  2. 

    

    

    

    bs=4096
    

    3. 

  3. 

    

    

    

    rw=randrw
    

    4. 

  4. 

    

    

    

    rwmixwrite=20
    

    5. 

  5. 

    

    

    

    ioengine=libaio
    

    6. 

  6. 

    

    

    

    direct=1
    

    7. 

  7. 

    

    

    

    group_reporting
    

    8. 

  8. 

    

    

    

    iodepth=32
    

    9. 

  9. 

    

    

    

    iodepth_batch=8
    

    10. 

  10. 

    

    

    

    iodepth_low=8
    

    11. 

  11. 

    

    

    

    iodepth_batch_complete=8
    

    12. 

  12. 

    

    

    

    userspace_reap
    

    13. 

  13. 

    

    

    

    runtime=60
    

    14. 

  14. 

    

    

    

    [test]
    

    15. 

  15. 

    

    

    

    numjobs=16
    

    16. 

  16. 

    

    

    

    filename=/dev/nvme0n1
iodepth/_low/_batch/_complete numjobs iops(read) bw(read) iops(write) bw(write)
16/8/8/8 8 23.8k 93.1MiB/s 5968 23.3MiB/s
32/8/8/8 1 15.4k 60.3MiB/s 3865 15.1MiB/s
32/8/8/8 8 37.9k 148MiB/s 9500 37.1MiB/s
32/8/8/8 16 40.4k 158MiB/s 10.1k 39.5MiB/s
32/16/16/16 16 40.5k 158MiB/s 10.1k 39.5MiB/s
64/32/32/32 16 40.4k 158MiB/s 10.1k 39.5MiB/s
64/16/16/16 1 22.6k 88.4MiB/s 5660 22.1MiB/s
64/16/16/16 64 42.8k 167MiB/s 10.7k 41.8MiB/s

numjobs增加不是免费的，top观测fio所占物理内存线性增加，而最后numjobs=64 iodepth=64测试，综合iostat数据，w_await、r_await、aqu_sz都明显增加，混合随机读写场景下，相比于iodepth，numjobs更能影响IO性能

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