解决磁盘IO读取慢全过程

在两台型号相同的机器上(snap1 和snap3)测试磁盘的读取速度，发现两台机器的读取速度差的很大:

#dd if=/dev/dm-93 of=/dev/null bs=4M count=1024
711MB/s on snap1.
178MB/s on snap3.

接下来比较snap1和snap3两台机器上关于dm-93磁盘(raid)的以下字段输出都是一样

/sys/block/<device>/queue/max_sectors_kb
/sys/block/<device>/queue/nomerges
/sys/block/<device>/queue/rq_affinity
/sys/block/<device>/queue/scheduler

字段解释可以参考：
https://www.kernel.org/doc/Documentation/block/queue-sysfs.txt 

然后用blktrace监控一下磁盘IO处理过程:

#blktrace /dev/dm-93

使用blkparse查看blktrace收集的日志：

253,108  1        1     7.263881407 21072  Q   R 128 + 128 [dd]
在snap3上请求读取一页(64k每页）

253,108  1        2     7.263883907 21072  G   R 128 + 128 [dd]
253,108  1        3     7.263885017 21072  I   R 128 + 128 [dd]
253,108  1        4     7.263886077 21072  D   R 128 + 128 [dd]
提交IO到磁盘

253,108  0        1     7.264883548     3  C   R 128 + 128 [0]
大约1ms之后IO处理完成

253,108  1        5     7.264907601 21072  Q   R 256 + 128 [dd]
磁盘处理IO完成之后，dd才开始处理下一个IO

253,108  1        6     7.264908587 21072  G   R 256 + 128 [dd]
253,108  1        7     7.264908937 21072  I   R 256 + 128 [dd]
253,108  1        8     7.264909470 21072  D   R 256 + 128 [dd]
253,108  0        2     7.265757903     3  C   R 256 + 128 [0]

但是在snap1上则完全不同，上一个IO没有完成的情况下，dd紧接着处理下一个IO
253,108 17        1     5.020623706 23837  Q   R 128 + 128 [dd]
253,108 17        2     5.020625075 23837  G   R 128 + 128 [dd]
253,108 17        3     5.020625309 23837  P   N [dd]
253,108 17        4     5.020626991 23837  Q   R 256 + 128 [dd]
253,108 17        5     5.020627454 23837  M   R 256 + 128 [dd]
253,108 17        6     5.020628526 23837  Q   R 384 + 128 [dd]
253,108 17        7     5.020628704 23837  M   R 384 + 128 [dd]

现在怀疑是snap3上读取磁盘数据时没有预读，但是检查两台机器上read_ahead_kb的值都是一样的，都是512.

#/sys/block/<device>/queue/read_ahead_kb    
512

没办法了，发绝招：用kprobe探测一下相关函数参数：

#ra_trace.sh

#!/bin/bash

if [ "$#" != 1 ]; then
    echo "Usage: ra_trace.sh <device>"
    exit
fi
echo 'p:do_readahead __do_page_cache_readahead mapping=%di offset=%dx pages=%cx' >/sys/kernel/debug/tracing/kprobe_events
echo 'p:submit_ra ra_submit mapping=%si ra=%di rastart=+0(%di) rasize=+8(%di):u32 rapages=+16(%di):u32' >>/sys/kernel/debug/tracing/kprobe_events
echo 'p:sync_ra page_cache_sync_readahead mapping=%di ra=%si rastart=+0(%si) rasize=+8(%si):u32 rapages=+16(%si):u32' >>/sys/kernel/debug/tracing/kprobe_events
echo 'p:async_ra page_cache_async_readahead mapping=%di ra=%si rastart=+0(%si) rasize=+8(%si):u32 rapages=+16(%si):u32' >>/sys/kernel/debug/tracing/kprobe_events
echo 1 >/sys/kernel/debug/tracing/events/kprobes/enable
dd if=$1 of=/dev/null bs=4M count=1024
echo 0 >/sys/kernel/debug/tracing/events/kprobes/enable
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe&
CATPID=$!
sleep 3
kill $CATPID

发现在snap3上预读磁盘的时候，rasize=0，确实在读数据时没有预读数据。

      <...>-35748 [009] 2507549.022375: submit_ra: (.ra_submit+0x0/0x38) mapping=c0000001bbd17728 ra=c000000191a261f0 rastart=df0b rasize=0 rapages=8
           <...>-35748 [009] 2507549.022376: do_readahead: (.__do_page_cache_readahead+0x0/0x208) mapping=c0000001bbd17728 offset=df0b pages=0
           <...>-35748 [009] 2507549.022694: sync_ra: (.page_cache_sync_readahead+0x0/0x50) mapping=c0000001bbd17728 ra=c000000191a261f0 rastart=df0b rasize=0 rapages=8
           <...>-35748 [009] 2507549.022695: submit_ra: (.ra_submit+0x0/0x38) mapping=c0000001bbd17728 ra=c000000191a261f0 rastart=df0c rasize=0 rapages=8

接下来仔细研读一下预读相关的代码，发现预读页与node上的内存相关:

unsigned long max_sane_readahead(unsigned long nr) 
{
        return min(nr, (node_page_state(numa_node_id(), NR_INACTIVE_FILE)
                + node_page_state(numa_node_id(), NR_FREE_PAGES)) / 2); 
}

比较一下snap1与snap3上node上的内存情况，发现snap3上node0上的内存和空闲内存都为0 ( 根因找到 :-)

snap1:
# /usr/bin/numactl --hardware
available: 1 nodes (0)
node 0 cpus: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
node 0 size: 8192 MB
node 0 free: 529 MB
node distances:
node   0
  0:  10

snap3:
# /usr/bin/numactl --hardware
available: 2 nodes (0,2)
node 0 cpus: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
node 0 size: 0 MB
node 0 free: 0 MB
node 2 cpus:
node 2 size: 8192 MB
node 2 free: 888 MB
node distances:
node   0   2
  0:  10  40
  2:  40  10

发现内核中有两个patch解决了这个问题，IO的预读不再以当前cpu上node上的内存情况来判断：

commit:6d2be915e589
mm/readahead.c: fix readahead failure for memoryless NUMA nodes and limit readahead pages

+#define MAX_READAHEAD   ((512*4096)/PAGE_CACHE_SIZE)
 /*
  * Given a desired number of PAGE_CACHE_SIZE readahead pages, return a
  * sensible upper limit.
  */
 unsigned long max_sane_readahead(unsigned long nr)
 {
-       return min(nr, (node_page_state(numa_node_id(), NR_INACTIVE_FILE)
-               + node_page_state(numa_node_id(), NR_FREE_PAGES)) / 2);
+       return min(nr, MAX_READAHEAD);
 }


commit:600e19afc5f8
mm: use only per-device readahead limit

Note: 以上内核代码基于Linux内核主线代码 Linux3.0