几种 I/O 类型概念的介绍

AIO

AIO 的全称为 Asynchronous I/O,即异步 I/O。在 AIO 的工作模式下,应用程序向操作系统发起 I/O 请求(读 / 写)以后,不必等 I/O 完成,即可发起新的 I/O 请求。通过这种方法,可以提示提升 I/O 吞吐量和性能。从 AIX5L 起,AIX 支持两种 AIO:legacy AIO 和 POSIX AIO。AIO 既支持文件系统也支持裸设备。

DIO

AIO 的全称为 Direct I/O,即直接 I/O。在 DIO 的工作模式下,数据直接从磁盘传送到应用的缓存,而不经过文件的 buffer cache。DIO 是 JFS 文件系统的一个选项,对于一些应用,如 Oracle 数据库,它本身有自己的缓存,如果再使用文件系统缓存,反而会造成性能的下降,在这种情况下,使用 DIO 会提升一定的性能。但是,当应用有大量的顺序读 I/O 的时候,使用 DIO 的方式由于缺少读缓存,会造成一定的性能下降。

CIO

CIO 的全称为 Concurrent I/O 即并发 I/O。CIO 的工作模式是建立在 DIO 模式基础之上的。在 JFS2 的环境下,如果应用需要绕过文件系统缓存,经常会使用 CIO 模式来替代 DIO 模式。在 CIO 的工作模式下,数据会从磁盘直接传递到应用的缓存。从 AIX 5.2.10 开始,JFS2 支持 CIO 选项。

我们知道,在文件系统中,为了保证数据和文件系统的一致性,需要使用 inode lock。Inode lock 保证一个文件在某一时刻,只有一个写 I/O,并且为了避免读到 stale 的数据,写的时候并发读也是不被允许的。

而在 CIO 的工作模式下,JFS2 会绕过 inode lock,从而实现多个线程可以同时读写一个共享文件。而在这种情况下,数据的一致性就需要应用或数据库来提供,如 DB2 Pure Scale、Oracle RAC。

AIO、DIO、CIO 的区别

AIO 在 AIX6.1 中默认是打开的,它既支持文件系统,也支持裸设备。而 DIO 和 CIO 是文件系统的一个选项。我们可以在 mount 文件系统的时候,进行设置,执行命令如下 :

 #mount -o dio /weixinyu #mount -o cio /weixinyu 


 

对于已经挂载的文件系统,也可以修改其 I/O 方式 :

 # chfs -a options=rw,dio /weixinyu # chfs -a options=rw,aio /weixinyu 


 

DIO 与 CIO 本质上并不矛盾,均属于“绕过文件系统缓存”的 I/O 方式。不同的是,在 DIO 的工作模式下,文件系统中的数据一致性是通过 inode lock 来实现的;而 CIO 为了提高文件的并发读写性,会绕过 inode lock,让应用来提供文件一致性锁。

AIO 对于裸设备的支持与 CIO 对文件系统支持的方式类似,都是通过“FastPath”来实现。前者受内核参数 fastpath 控制,后者受内核参数 fsfastpath 控制。在 AIX6.1 中,这两个参数默认都是设置为 1。

 # ioo -F -a |grep -i path aio_fastpath = 1aio_fsfastpath = 1


 

三种 I/O 方式的逻辑关系如下图:



图 1.I/O 方式逻辑图

图 1.I/O 方式逻辑图

 


AIO 的参数设置与调优

AIO 的两种支持方式

在上文中我们已经提到过,AIO 既支持文件系统,也支持裸设备。在文件系统模式下,AIO 通过文件系统缓存来实现异步 I/O。在裸设备的模式下,AIO 通过“FastPath”来实现,它的作用是将原始逻辑卷直接传递到磁盘层的 AIO 请求。在 AIX6.1 中,这个参数是默认打开,设置为 1。

 # ioo -F -a |grep -i path aio_fastpath = 1


 

AIO 对文件系统的支持逻辑图如下(通过 Kproc 即 AIO Server 处理 I/O)。在这种工作模式下,将会由 kproc 进程来控制 I/O 请求,而 kproc 的数量(即 AIO Server 的数量)将会决定系统处理的最多 AIO 请求的数量。



图 2.AIO 支持逻辑图

图 2.AIO 支持逻辑图

 

AIO 对裸设备的支持逻辑图如下(通过 FastPath 处理 I/O):



图 3.AIO 支持逻辑图

图 3.AIO 支持逻辑图

 

Fastpath 不需要 AIO Server 来处理 I/O 请求,它可以减少 CPU 上下文切换,降低 CPU 开销。

AIO 的主要内核参数

在 AIX6.1 中,使用 ioo 命令可以查看与 AIO 相关的内核参数。

 # ioo -F -a |grep -i aio aio_maxreqs = 131072 aio_maxservers = 30 aio_minservers = 3 


 

kproc 的最小值由系统参数 minservers 决定,最大值由系统参数 maxservers 决定。如果异步 I/O 请求的数量很多,就需要将 maxservers 的数值增大。由于 AIX 内核可以自动生成额外的 kproc,因此在大多数情况下,minservers 的数值不需要手动调整。需要注意的是,minservers 和 maxservers 两个参数只对文件系统有效,对于 AIO 的裸设备模式以及 CIO 的模式是无效的,这两种 I/O 由 FastPath 来处理,而不是 kproc。

在 AIX6.1 中,aio_maxservers 和 aio_minservers 的默认数值分别为 30 和 3,一般认为这两个数值是每个 CPU 的 AIO Server 数量设置。

AIX6.1 中的 maxreqs 参数决定 AIO 系统里可以处理最多并发 I/O 请求的数量。这个参数对于 fast path 的 I/O 类型是不起作用的。我们在调整 minservers 和 maxservers 参数时,也需要监控 maxreqs 数值。

在 AIX6.1 中,可以用如下命令查看运行的 AIO Server 的数量:

 # pstat -a |grep -c aios |wc -l 1 # ioo -F -a |grep -i aio_minservers aio_minservers = 3 


 # pstat -a |grep -c kproc |wc -l 1 


 

从上面结果可以看出,目前系统中的 AIO 请求很少,只有一个 AIO server 在运行。而 AIO server 的数量与 kproc 的数量,是一致的。

在系统中,如果 maxreqs 和 maxservers 设置的太低低,可能会造成数据库报错或者宕机,查看 Oracle 的 bdump 文件可以发现如下报错:



图 4.Oracle 报错

图 4.Oracle 报错

 

aio_server_inactivity 参数控制的是 AIO Server 的退出时间:即当 AIO server 空闲的时间超过 aio_server_inactivit 设置的数值时,AIO server 将会退出,默认这个数值默认为 300 秒。

一般情况下,运行的 AIO Server 数量不会低于 aio_minservers 参数的设置,在上面的例子中,之所以出现 AIO Server 的数量低于 aio_minservers 参数设置的数值,是因为该系统是一个空闲的系统,没有任何负载和 AIO 请求。aio_server_inactivity 在 AIX6.1 中一般不需要设置。

aio_active 参数不需要设置,默认为 0。只有当 AIO kernel extensors 被使用时,才会变成 1。

 # ioo -a | grep active aio_active = 0 posix_aio_active = 0 # ioo -o aio_active=1 ioo: 1485-114 Static tunable aio_active cannot be changed 


 

如何判断 AIO 性能问题

在 AIX 操作系统中,可以通过系统命令查看 AIO 是否存在性能问题 :

 # iostat -A 1 3 |grep -v hdisk 




图 5.AIO 性能监控

图 5.AIO 性能监控

 

在上面的命令中,我采用的监控时间是 1 秒,因此下面几个数值的描述都是“每秒”。

用红框标注的几个数值需要关注:

avgc: 每秒全局非 FastPath AIO 平均请求数量。如果 iostat 命令时间间隔为 3 秒,那么此项描述应为:3 秒内全局非 FastPath AIO 请求的平均数量,下不赘述。

avfc: 每秒裸设备(不包括 CIO FastPath IOs)FastPath AIO 平均请求数量。

maxgc:1 秒内,非 FastPath AIO 达到的最大值。

maxfc: 1 秒内,FastPath AIO 达到的最大值。

maxreqs: 参数设定的系统最大允许的 AIO 请求数量。

在命令的输出结果中,如果 maxgc 或 maxfc 的数值接近 maxreqs 或 maxservers 的数值,那么就需要增大系统中 maxreqs 或 maxservers 设置。

AIO 内核参数设置的方法

在 AIX6.1 中,可以用 ioo 命令设置相关的参数。例如我们将 AIO Server 最大值设置为 40,最小值设置为 10:

 # ioo -p -o aix_maxservers=40 -o aio_minservers=10 ioo: 1485-110 Invalid tunable name aix_maxservers Setting aio_minservers to 10 in nextboot file Setting aio_minservers to 10 


 

我们将 maxreqs 的数值设置为 666666

 # ioo -p -o aio_maxreqs=666666 Setting aio_maxreqs to 666666 in nextboot file Setting aio_maxreqs to 666666 


 

设置 fast path 参数,1 为打开,设置为 0 则关闭:

 # ioo -o aio_fastpath=1  Setting aio_fastpath to 1 Warning: a restricted tunable has been modified # ioo -o aio_fsfastpath=1 Setting aio_fsfastpath to 1 Warning: a restricted tunable has been modified 


 

一般情况下,对于常见的应用,主要参数建议设置的数值为:



表 1. 参数设置建议值

 默认值OLTPSAP
aio_minservers3200400
aio_maxservers108001200
maxreqs40961638416384


 

总结

AIO 在 AIX6.1 及 AIX7.1 中已默认开启,不需要手动开启。AIO 对于数据库而言是很重要的,如果参数设置的不对,将会造成性能大幅下降。因此,在规划数据库或者进行数据库调优时,应充分考虑到 I/O 的方式以及相关参数的设置。



 

参考资料

学习

  • 通过参考 《 AIX 5L Version 6.1 System Management Concepts: Operating System and Devices 》,了解 AIX 的更多信息。



     
  • AIX and UNIX 专区:developerWorks 的“AIX and UNIX 专区”提供了大量与 AIX 系统管理的所有方面相关的信息,您可以利用它们来扩展自己的 UNIX 技能。



     
  • AIX and UNIX 新手入门:访问“AIX and UNIX 新手入门”页面可了解更多关于 AIX 和 UNIX 的内容。



     
  • AIX and UNIX 专题汇总:AIX and UNIX 专区已经为您推出了很多的技术专题,为您总结了很多热门的知识点。我们在后面还会继续推出很多相关的热门专题给您,为了方便您的访问,我们在这里为您把本专区的所有专题进行汇总,让您更方便的找到您需要的内容。



     
  • AIX and UNIX 下载中心:在这里你可以下载到可以运行在 AIX 或者是 UNIX 系统上的 IBM 服务器软件以及工具,让您可以提前免费试用他们的强大功能。



     
  • IBM Systems Magazine for AIX 中文版:本杂志的内容更加关注于趋势和企业级架构应用方面的内容,同时对于新兴的技术、产品、应用方式等也有很深入的探讨。IBM Systems Magazine 的内容都是由十分资深的业内人士撰写的,包括 IBM 的合作伙伴、IBM 的主机工程师以及高级管理人员。所以,从这些内容中,您可以了解到更高层次的应用理念,让您在选择和应用 IBM 系统时有一个更好的认识。



     

讨论

  • 加入 developerWorks 中文社区。查看开发人员推动的博客、论坛、组和维基,并与其他 developerWorks 用户交流。



     

关于作者

魏新宇,任职于 IBM Adavanced Technical Skill 团队,负责 Power 服产器产品的售前技术支持。