Linux 环境写文件如何稳定跑满磁盘 I/O 带宽?

准备

要求:

在限制内存的情况下，假定我们每次写入 4k 的数据，如何保证kill -9不丢数据的情况下，仍然稳定的跑满磁盘的 IO ？因为需要保证kill -9不丢数据，所以fwrite()就不在我们的考虑范围之内了. 又因为限制内存，所以直观的想法是直接 Direct IO, 但 Direct IO 能否跑满磁盘 IO 呢?

机器配置:

CPU: 64核 Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2682 v4 @ 2.50GHz

磁盘: Intel Optane SSD

测试磁盘IO性能:

官方称读/写带宽是2400/2000 MB/s, 我们利用fio来进行实测:

顺序读性能:

1	sudo fio --filename=test -iodepth=64 -ioengine=libaio --direct=1 --rw=read --bs=2m --size=2g --numjobs=4 --runtime=10 --group_reporting --name=test-read

结果:

1	READ: bw=2566MiB/s (2691MB/s), 2566MiB/s-2566MiB/s (2691MB/s-2691MB/s), io=8192MiB (8590MB), run=3192-3192msec

顺序写性能:

1	sudo fio --filename=test -iodepth=64 -ioengine=libaio -direct=1 -rw=write -bs=1m -size=2g -numjobs=4 -runtime=20 -group_reporting -name=test-write

结果:

1	WRITE: bw=2181MiB/s (2287MB/s), 2181MiB/s-2181MiB/s (2287MB/s-2287MB/s), io=8192MiB (8590MB), run=3756-3756msec

实测读写带宽: 2566/2181 MB/s

实验一: Buffer IO 写入

因为是限制内存，所以 Buffer IO 不在我们的考虑范围内，但是我们先来测试一下 Buffer IO 的具体性能到底如何? 我们使用最简单的方法，因为我们的 CPU 核数是64，所以直接 64 线程单次4K字节 Buffer IO 写入, 即通过操作系统的 Page Cache 的策略来缓存，刷盘:

代码片段: 完整代码

static char data[4096] attribute((aligned(4096))) = {'a'}; 

void writer(int index) { 
	std::string fname = "data" + std::to_string(index); 
	int data_fd = ::open(fname.c_str(), O_RDWR | O_CREAT | O_APPEND, 0645); 
	for (int32_t i = 0; i < 1000000; i++) { 
		::write(data_fd, data, 4096); 
	} 
	close(data_fd); 
} 

int main() { 
	std::vectorstd::thread threads; 
	for(int i = 0; i < 64; i++) { 
		std::thread worker(writer, i); 
		threads.push_back(std::move(worker)); 
	} 
	for (int i = 0; i < 64; i++) { 
		threads[i].join(); 
	} 
	return 0; 
}

我们通过O_APPEND单次 4k 追加写入，之后通过vmstat来保留120s的写入带宽:

1	vmstat 1 120 > buffer_io

经过最后的测试数据整理，我们发现 Buffer IO 的性能基本能稳定跑满带宽, 其中只有一次 I/O 抖动:

buffer_io

实验二: 4K 单次 Direct IO 写入

Buffer IO 利用 Page Cache 帮助我们缓存了大量的数据，必然提高了写入带宽，但假如在限制内存的情况下，Buffer IO 就不是正确的解决方案了，这次我们绕过 Page Cache, 直接 Direct IO 单次4K写入:

代码片段: 完整代码

唯一需要修改的地方就是在open()中加入O_DIRECT标志:

1	int data_fd = ::open(fname.c_str(), O_RDWR \| O_CREAT \| O_APPEND \| O_DIRECT, 0645);

通过vmstat获取写入带宽数据, 整理如下:

direct_io

通过数据我们发现，单次4k的 Direct IO 写入无法跑满磁盘的I/O带宽，仅仅只有800MB/S

实验三: mmap 写入

通过前面这两个实验我们发现，Buffer IO 是可以跑满磁盘 I/O 的，那我们可以尝试模拟 Buffer IO 的写入方式，使用较少的内存来达到 Buffer IO 的写入效果.

我们使用mmap来实现 Buffer IO 写入，通过限定的 Buffer Block 来模拟 Page Cache 的聚合效果, 实验中我们使用memcpy来完成数据拷贝，Buffer Block 我们设定为4K * 4, 与 Direct IO 的不同，我们这次限定即16KB的单次写入:

代码片段: 完整代码

main()函数不变，修改线程的writer()函数:

static char data[4096] attribute((aligned(4096))) = {'a'};
static int32_t map_size = 4096 * 4;

void MapRegion(int fd, uint64_t file_offset, char** base) { 
	void* ptr = mmap(nullptr, map_size, PROT_READ | PROT_WRITE, 
					MAP_SHARED, 
					fd, 
					file_offset); 
	if (unlikely(ptr == MAP_FAILED)) { 
		*base = nullptr; 
		return; 
	}
	base = reinterpret_cast<char>(ptr); 
} 

void UnMapRegion(char* base) { 
	munmap(base, map_size); 
} 

void writer(int index) { 
	std::string fname = "data" + std::to_string(index); 
	char* base = nullptr; 
	char* cursor = nullptr; 
	uint64_t mmap_offset = 0, file_offset = 0; 
	int data_fd = ::open(fname.c_str(), O_RDWR | O_CREAT, 0645); 
	posix_fallocate(data_fd, 0, (4096UL * 1000000)); 
	MapRegion(data_fd, 0, &base); 
	if (unlikely(base == nullptr)) { 
		return; 
	} 
	cursor = base; 
	file_offset += map_size; 
	for (int32_t i = 0; i < 1000000; i++) { 
		if (unlikely(mmap_offset >= map_size)) { 
			UnMapRegion(base); 
			MapRegion(data_fd, file_offset, &base); 
			if (unlikely(base == nullptr)) { 
				return; 
			} 
			cursor = base; 
			file_offset += map_size; 
			mmap_offset = 0; 
		} 
		memcpy(cursor, data, 4096); 
		cursor += 4096; 
		mmap_offset += 4096; 
	} 
	UnMapRegion(base); 
	close(data_fd); 
}

我们通过vmstat来获取写入带宽数据，我们发现mmap的16K写入可以跑满磁盘带宽，但 I/O 抖动较大，无法形成类似于 Buffer IO 稳定的写入.

mmap_io

我们通过perf生成火焰图分析:

mmap_perf

通过pref生成分析瓶颈时发现，写入writer()时触发了大量的Page Fault, 即缺页中断，而mmap()本身的调用也有一定的消耗(mmap()的源码分分析，我们实验三的思路是: 首先fallocate一个大文件，然后mmap()内存映射16k的 ‘Block’, memcpy()写满之后，游标右移重新mmap()，以此循环.

实验四: 改进的 mmap 写入

为了避免mmap()的开销，我们使用临时文件在写入之前mmap()映射，之后循环利用这16K的Block, 避免mmap()系统调用的开销:

代码片段: 完整代码

void MapRegion(int fd, uint64_t file_offset, char** base) {
  void* ptr = mmap(nullptr, map_size, PROT_READ | PROT_WRITE,
		   MAP_SHARED,
		   fd,
		   file_offset);
  if (unlikely(ptr == MAP_FAILED)) {
    *base = nullptr;
    return;
  }
  *base = reinterpret_cast<char*>(ptr);
}

void UnMapRegion(char* base) {
  munmap(base, map_size);
}

void writer(int index) {
  std::string fname = "data" + std::to_string(index);
  std::string batch = "batch" + std::to_string(index);

  char* base = nullptr;
  char* cursor = nullptr;
  uint64_t mmap_offset = 0, file_offset = 0;

  int data_fd = ::open(fname.c_str(), O_RDWR | O_CREAT | O_DIRECT, 0645);
  int batch_fd = ::open(batch.c_str(), O_RDWR | O_CREAT | O_DIRECT, 0645);
  posix_fallocate(data_fd, 0, (4096UL * 1000000));
  posix_fallocate(batch_fd, 0, map_size);

  MapRegion(batch_fd, 0, &base);
  if (unlikely(base == nullptr)) {
    return;
  }
  cursor = base;
  file_offset += map_size;

  for (int32_t i = 0; i < 1000000; i++) {
    if (unlikely(mmap_offset >= map_size)) {
      pwrite64(data_fd, base, map_size, file_offset);
      cursor = base;

      file_offset += map_size;
      mmap_offset = 0;
    }
    memcpy(cursor, data, 4096);
    cursor += 4096;
    mmap_offset += 4096;
  }
  UnMapRegion(base);

  close(data_fd);
  close(batch_fd);
}

使用vmstat来获取写入速度的数据, 整理如下:

mmap_batch_io

这次避免了mmap()的开销，写入速度可以稳定保持在2180 MB/S左右，且没有 I/O 抖动.

内存使用也仅仅只有18000KB, 大约18M:

memory_usage

结论:

下面是四种方式的写入速度对比:

summary
在限制内存，且需要kill -9不丢数据的情况下，我们可以使用mmap()来模拟 Buffer IO，但为了避免频繁mmap()的造成的 Page Fault 开销，我们需要一个临时文件来做我们的内存映射. 这种方法可以保证我们的写入速度稳定且kill -9不至于丢失数据.