Модуль 5.4: Продуктивність I/O

Продуктивність Linux | Складність: [MEDIUM] | Час: 25–30 хв

Передумови

Перед початком цього модуля:

Обов’язково: Модуль 5.1: Метод USE
Обов’язково: Модуль 1.3: Ієрархія файлової системи
Бажано: Модуль 5.3: Керування пам’яттю для розуміння кешу сторінок (page cache).

Що ви зможете робити після цього модуля

Після завершення цього модуля ви зможете:

Виміряти продуктивність дискового I/O за допомогою iostat, iotop та бенчмарків fio
Діагностувати вузькі місця I/O, інтерпретуючи метрики await, %util та глибину черги
Налаштувати планувальники I/O та ліміти blkio cgroup для контейнерних навантажень
Оцінити вимоги до продуктивності сховища для різних типів навантажень (база даних, логування, кеш)

Чому цей модуль важливий

Коли додатки працюють повільно, але з CPU та пам’яттю все гаразд — проблема зазвичай у дисках. Продуктивність вводу/виводу (I/O) аналізувати складніше, ніж CPU, оскільки багато шарів (файлова система, черги ядра, залізо) додають власні затримки.

Розуміння продуктивності I/O допоможе вам:

Діагностувати повільну роботу — знаходити дискові вузькі місця.
Обирати сховища — розуміти різницю між SSD та HDD, локальними та мережевими дисками.
Правильно розраховувати ресурси — знати вимоги до IOPS та пропускної здатності.
Відлагоджувати контейнери — розуміти, як монтування томів впливає на швидкість.

Дисковий I/O — це часто приховане вузьке місце, яке “кладе” продакшн.

Продуктивність диска: IOPS проти Throughput

Показник	Що це таке	Коли важливий
IOPS	Кількість операцій за секунду	Бази даних, багато дрібних запитів
Throughput	Обсяг даних за секунду (МБ/с)	Стрімінг відео, бекапи, великі файли

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    IOPS ПРОТИ THROUGHPUT                    │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                             │
│  Робота з БД:                    Відео стрімінг:            │
│  ┌───────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐│
│  │ 10,000 IOPS           │      │ 500 IOPS                  ││
│  │ Дрібні випадкові читання│      │ Великі послідовні читання ││
│  │ Блоки по 4 КБ         │      │ Блоки по 1 МБ             ││
│  │ Швидкість: 40 МБ/с    │      │ Швидкість: 500 МБ/с       ││
│  └───────────────────────┘      └───────────────────────────┘│
│                                                             │
│  Один і той самий диск може бути ідеальним для стрімінгу,   │
│  але занадто повільним для бази даних.                      │
│                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

Аналіз за допомогою iostat

Команда iostat -x 1 — ваш головний інструмент аналізу.

Метрика	Що вона каже	Коли хвилюватися
%util	Відсоток часу, коли диск був зайнятий	> 80% для HDD
await	Середній час на одну операцію (мс)	> 10мс для SSD, > 50мс для HDD
avgqu-sz	Середня довжина черги	> 1 означає, що диски не встигають
r/s, w/s	Кількість читань/записів (IOPS)	Залежить від лімітів вашого заліза

Планувальники I/O (Schedulers)

Ядро Linux вирішує, у якому порядку відправляти запити на диск.

mq-deadline: Добре для звичайних жорстких дисків (HDD).
none / kyber: Найкраще для швидких SSD та NVMe дисків.
bfq: Гарно для десктопів з багатьма паралельними задачами.

# Перевірити поточний планувальник
cat /sys/block/sda/queue/scheduler

Тест

Що означає показник %util у 100% у виводі iostat?

Відповідь
Це означає, що диск був зайнятий обробкою запитів 100% часу спостереження. Це ознака того, що диск став вузьким місцем для системи.
Яка різниця між IOPS та Throughput?

Відповідь
IOPS вимірює кількість окремих операцій (транзакцій), а Throughput — загальний обсяг переданих даних (наприклад, МБ/с). Бази даних потребують високих IOPS, тоді як копіювання великих файлів — високого Throughput.
Чому iowait може вводити в оману?

Відповідь
Високий `iowait` показує тільки те, що CPU простоює, чекаючи на відповідь від диска. Якщо CPU в цей час зайнятий іншою роботою, `iowait` буде низьким, навіть якщо диск працює на межі своїх можливостей. Завжди перевіряйте `iostat`.
Яка команда в Linux показує процеси, що зараз найбільше навантажують диск?

Відповідь
`iotop` (потребує встановлення та прав root).

Практична вправа

Завдання: Проаналізувати дискову активність при копіюванні.

Запустіть моніторинг дисків в одному терміналі:
Terminal window
```
iostat -xz 1
```
В іншому терміналі створіть великий файл (симуляція навантаження):
Terminal window
```
dd if=/dev/zero of=/tmp/testfile bs=1M count=1024 conv=fdatasync
```
Подивіться, як змінилися показники %util та wkB/s (швидкість запису).
Перевірте, який процес робить запис:
Terminal window
```
sudo iotop -o -b -n 1
```
Прибирання:
Terminal window
```
rm /tmp/testfile
```

Критерії успіху: Ви вмієте ідентифікувати завантаження конкретного диска та знаходити процес, що спричиняє I/O навантаження.

Підсумок

%util каже, як довго диск був зайнятий, а не скільки він ще може прийняти.
avgqu-sz (черга) — найкращий індикатор перевантаження.
Page cache “ховає” більшість читань, роблячи їх майже миттєвими.
Для баз даних важливі IOPS, для бекапів — throughput.

Розділ «Продуктивність» завершено! Тепер ви маєте повну картину того, як аналізувати CPU, пам’ять та диски за методом USE. Ви готові до вирішення найскладніших проблем у продакшні.

Далі: Розділ 6: Вирішення проблем (Troubleshooting) — навчіться застосовувати ці знання для порятунку систем.