效能分析（4）- iowait 使用率過高案例

阿新 • • 發佈：2020-08-10

效能分析小案例系列，可以通過下面連結檢視哦

https://www.cnblogs.com/poloyy/category/1814570.html

前言

前面兩個案例講的都是上下文切換導致的 CPU 使用率升高
這一篇就來講講等待 I/O 導致的 CPU 使用率升高的案例

程序狀態

詳解程序狀態

https://www.cnblogs.com/poloyy/p/13413770.html

不可中斷狀態

當 iowait 升高時，程序很可能因為得不到硬體的響應，而長時間處於不可中斷狀態
不可中斷也是為了保護程序資料和硬體狀態一致，並且正常情況下，不可中斷狀態在很短時間內就會結束
所以，短時的不可中斷程序，一般可以忽略

但如果系統或硬體發生了故障，程序可能會在不可中斷狀態保持很久，甚至導致系統中出現大量不可中斷程序。這時，就得注意下，系統是不是出現了 I/O 等效能問題

殭屍程序

多程序引用很容易碰到的問題

正常情況

一個程序建立了子程序後，它應該通過系統呼叫wait()或waitpid()等待子程序結束，回收子程序的資源
而子程序在結束時，會向它的父程序傳送 SIGCHLD 訊號
所以，父程序還可以註冊 SIGCHLD 訊號的處理函式，非同步回收資源

異常情況

如果父程序沒有回收資源，或是子程序執行太快，父程序還沒來得及處理子程序狀態，子程序就已經提前退出，那這時的子程序就會變成殭屍程序
形象比喻：

父親應該一直對兒子負責，善始善終，如果不作為或者跟不上，都會導致“問題少年”的出現

重點

殭屍程序持續的時間都比較短，在父程序回收它的資源後就會消亡，或者在父程序退出後，由 init 程序回收後也會消亡
一旦父程序沒有處理子程序的終止，還一直保持執行狀態，那麼子程序就會一直處於殭屍狀態
大量的殭屍程序會用盡 PID 程序號，導致新程序不能建立

大量不可中斷狀態和殭屍狀態程序的案例

系統配置

Ubuntu 18.04， 2 CPU，2GB 記憶體
前置條件：已執行案例應用

通過 ps 命令檢視案例程序

ps aux | grep /app

結果分析

多個 app 程序已啟動

狀態有 Ss+、D+、R+
小s：表示這個程序是一個會話的領導程序
+：表示前臺程序組

什麼是會話和程序組

它們是用來管理一組相互關聯的程序
程序組：比如每個子程序都是父程序所在組的成員
會話：共享同一個控制終端的一個或多個程序組

會話和程序組的場景類比

通過 SSH 登入伺服器，就會開啟一個控制終端（TTY），這個控制終端就對應一個會話
而在終端中執行的命令以及它們的子程序，就構成了一個個的程序組
在後臺執行的命令，構成後臺程序組
在前臺執行的命令，構成前臺程序組

通過 top 檢視系統狀況

結果分析

平均負載，過去 1min、5min、15min 的平均負載依次減少，說明平均負載正在升高
而 1min 內的平均負載已經達到系統 CPU 個數，說明系統很可能存在效能瓶頸
115 zombie 說明殭屍程序比較多，而且在不停增加，有子程序在退出時沒被清理
使用者 CPU 和系統 CPU 都不高，但 iowait 分別是 60.5% 和 94.6%，好像有點兒不正常，導致系統的平均負載升高
有兩個處於 D 狀態的 app 程序，可能在等待 I/O

檢視系統的殭屍程序

ps -e -o stat,ppid,pid,cmd | egrep '^[Zz]' 

或

ps -ef | grep "defunct"

一堆 app 殭屍程序

iowait 分析

一提到 iowait 升高，首先會想要查詢系統的 I/O 情況

執行 dstat 命令，觀察 CPU 和 I/O 的使用情況

dstat 1 10

當 iowait 升高（wai）時，磁碟的讀請求（read）都會很大（M）
這說明 iowait 的升高跟磁碟的讀請求有關，很可能就是讀磁碟導致的

找到讀磁碟的程序

通過 top 找到 D 狀態的兩個 app 程序
不可中斷狀態代表程序在跟硬體進行互動，很可能就是讀磁碟

兩個 app 程序的 PID 分別是12407、12406

通過 pidstat 檢視 app 程序的 I/O 情況

pidstat -d -p 12407 1 5

-d 展示 I/O 統計資料
-p 指定程序號
間隔 1 秒輸出 5 組資料

kB_rd 表示每秒讀的 KB 數， kB_wr 表示每秒寫的 KB 數，iodelay 表示 I/O 的延遲（單位是時鐘週期）
它們都是 0，那就表示此時沒有任何的讀寫，說明問題不是 12407 程序導致的，也並不是12406 程序導致的

通過 pidstat 檢視系統的 I/O 情況

pidstat -d 1 10

能看到其實的確是 app 程序在讀，只不過每過幾秒都會有新的 app 程序在讀【pid 在不斷變化】
可以確認，是 app 程序的問題

通過 ps 命令檢視一直變化的 app 程序狀態

前面講到讀磁碟的 app 程序 PID 一直在變化，那麼就來看看已經沒在讀磁碟的程序的程序狀態是怎麼樣的

ps aux | grep 15973

這程序已經是 Z 狀態，就是殭屍程序了
殭屍程序都是已經退出的程序，所以就沒法兒繼續分析它的系統呼叫
關於殭屍程序的處理方法，我們一會兒再說，現在還是繼續分析 iowait 的問題

通過 perf 錄製效能事件

系統 iowait 的問題還在繼續，但是 top、pidstat 這類工具已經不能給出更多的資訊了
此時可以通過 perf 動態跟蹤效能事件

perf record -g

15s 後 ctrl+c 終止錄製

檢視報告，分析報告

perf report

app 的確在通過系統呼叫sys_read()讀取資料
並且從new_sync_read和blkdev_direct_IO能看出，程序正在對磁碟進行直接讀，也就是繞過了系統快取，每個讀請求都會從磁碟直接讀，這就可以解釋觀察到的 iowait 升高了

修復原始碼之後，通過 top 命令驗證

iowait 已經非常低了，只有 0.3%
說明修改原始碼已經成功修復了 iowait 高的問題
不過，仔細觀察殭屍程序的數量，會發現，殭屍程序還在不斷的增長中

處理和分析殭屍程序

殭屍程序是因為父程序沒有回收子程序的資源而出現的
解決殭屍程序需要先找出父程序，然後在父程序裡解決

通過pstree 找到某個 app 程序的父程序

pstree -aps 51780

51780 程序的父程序是 51688，也就是 app 應用

通過 ps 檢視所有殭屍程序的父程序

ps -e -o stat,ppid,pid,cmd | egrep '^[Zz]'

所有殭屍程序的父程序都是 51688，從而確認 51688 就是殭屍程序的父程序

檢視 app 應用程式的程式碼

檢視 app 應用程式的程式碼，看看子程序結束的處理是否正確

有沒有呼叫wait()或waitpid()
或有沒有註冊 SIGCHLD 訊號的處理函式

把wait()放到了 for 死迴圈的外面，也就是說，wait() 函式實際上並沒被呼叫到，把它挪到 for 迴圈的裡面就可以了

改完原始碼，通過 top 驗證一下

殭屍程序（Z 狀態）沒有了， iowait 也是 0，問題終於全部解決了

總結

這個案例是因為磁碟 I/O 導致了 iowait 升高
不過，iowait 高並不一定代表 I/O 有效能瓶頸
當系統中只有 I/O 型別的程序在執行時，iowait 也會很高，但實際上，磁碟的讀寫遠沒有達到效能瓶頸的程度

分析整體思路

通過 top 檢視系統資源情況
發現平均負載逐漸升高，iowait（wa）比較高，但使用者態和核心態 CPU 使用率並不算高
檢視是否有 CPU 使用率偏高的程序，發現有 D 狀態的程序，可能是在等待 I/O 中
過一陣子會變成 Z 狀態程序，且 CPU 使用率上升，然後會看到zombie 程序數逐漸增加
可以得到兩個結論：殭屍程序過多，應該是父程序沒有清理已經結束的子程序的資源；iowait 的上升導系統平均負載上升
因為是 iowait 較高，可以通過 dstat 檢視系統的 I/O 情況，會發現每次 iowait 升高，讀磁碟請求都會很大
通過 pidstat -d 檢視 D 狀態程序的 I/O 情況，但發現並沒有有效資訊
通過 pidstat -d 直接檢視系統的 I/O 情況，可以發現不斷有新程序在進行讀磁碟操作
通過 ps 命令檢視剛剛 D 狀態程序當前的程序狀態，發現已經變成殭屍程序
通過 perf record 錄製效能事件，然後通過 perf report 檢視效能報告，可以發現 app 程序都是直接讀磁碟，而不經過系統快取
通過 pstree 找到 Z 狀態程序的父程序
通過 ps 命令確認所有殭屍程序的父程序
找到父程序原始碼，檢查 wait() / waitpid() 的是否會成功呼叫，或是 SIGCHLD 訊號處理函式的註冊就行了
修改完全部原始碼後，重新執行應用，通過 top 驗證是否還有 iowait 過高和出現 zombie 程序的情況