一、概述
FIO 是一个开源的主流的 Linux 磁盘 IO 测试工具，可模拟各种 IO workload，广泛用于 benchmark、QA、验证等场景，支持多达19种 IO engines（如：libaio, sync等），并支持多种操作系统，如：Linux、Windows。通常对于磁盘的测试主要会关注这几个测试项，分别是：Iops，也就是每秒进行读写（I/O）操作的次数，它评估的是，每秒对于磁盘的操作次数和能力，执行次数越多说明执行数据越快。
另外一个指标就是对磁盘的吞吐率，它表示每秒对于磁盘的读写数据量，单位为 MB/s，数值越高表示读写数据越多。
第三个指标就是读写延迟，表示单个 IO 去写磁盘，做一次 IO 操作的耗时是多少。
我们使用 FIO 这个工具可以针对这三项指标去进行测试，并分析结论，在使用 FIO 之前建议你尽量使用一台空闲的机器来运行，以免因为 FIO 对操作系统上的磁盘或者文件的读写而损坏文件系统，这个地方你需要注意一下。
二、安装
有两种方式安装fio，binary 安装和 source 安装，本文使以Binary的方式安装。
2.1 下载rpm进行安装
从官网上下载Redhat系统所对应的3.1-1.el7版本。访问方式如下：
https://github.com/axboe/fio -> https://apps.fedoraproject.org/packages/fio -> 3.1-1.el7
选择“fio-3.1-1.el7.x86_64.rpm”二进制软件包进行下载。
2.2 yum直接安装
另外也可以直接从yum方式进行安装，yum install fio
[root@CNSZ036811 ~]# fio -v
fio-3.1
三、基础概念
在讲解 fio 之前，有必要了解一些其中涉及到的基础概念。
IO 类型（IO pattern）：指读写方式，顺序、随机两种。
块大小：上层应用读写数据时的最小逻辑存储单元，如：4KB，1MB。磁盘性能测试过程，衡量 IOPS 时，通常采用小块数据随机读写（如：4K >= 块大小 <=32K 块大小），而衡量吞吐量时，通常采用大块数据顺序读写（如：64K >= 块大小 <= 1M）。
IO 大小：每次 IO 请求需要读写的数据大小。
IO 引擎：作业读写 IO 的方式，即以特定方式来访问存储文件。每种IO引擎有其自身的使用场景。
线程数：默认情况下是使用 fork 创建进程的方式来运行作业，但开销较大，因此通常情况，会指定 -thread 参数以线程方式测试。
队列深度：队列深度指系统中等待处理的 IO 请求的数目。队列深度的值决定了应用程序可以让多个 IO 操作排队供磁盘处理。
四、FIO 体验
了解了这些基本概念后，我们开始 fio 体验之旅。我们先来运行一个最简单的命令来感受一下 fio。
[root@cnsz036814 ~]# fio -filename=/dev/rbd0 -name=mytest
mytest: (g=0): rw=read, bs=(R) 4096B-4096B, (W) 4096B-4096B, (T) 4096B-4096B, ioengine=psync, iodepth=1
fio-3.1
Starting 1 process
Jobs: 1 (f=1): [f(1)][100.0%][r=273MiB/s,w=0KiB/s][r=69.9k,w=0 IOPS][eta 00m:00s]
mytest: (groupid=0, jobs=1): err= 0: pid=3367325: Thu Apr 4 14:30:31 2019
read: IOPS=26.5k, BW=103MiB/s (108MB/s)(10.0GiB/99102msec)
clat (nsec): min=1042, max=528258k, avg=37415.13, stdev=2331215.59
lat (nsec): min=1087, max=528258k, avg=37464.12, stdev=2331215.58
clat percentiles (nsec):
| 1.00th=[ 1160], 5.00th=[ 1192], 10.00th=[ 1208],
| 20.00th=[ 1240], 30.00th=[ 1256], 40.00th=[ 1304],
| 50.00th=[ 1368], 60.00th=[ 1448], 70.00th=[ 1496],
| 80.00th=[ 1592], 90.00th=[ 1768], 95.00th=[ 1992],
| 99.00th=[ 2576], 99.50th=[ 3504], 99.90th=[ 35584],
| 99.95th=[ 5406720], 99.99th=[119013376]
bw ( KiB/s): min= 8192, max=1136744, per=99.01%, avg=104755.10, stdev=208227.89, samples=198
iops : min= 2048, max=284186, avg=26188.71, stdev=52057.00, samples=198
lat (usec) : 2=95.25%, 4=4.31%, 10=0.22%, 20=0.09%, 50=0.03%
lat (usec) : 100=0.01%, 250=0.01%, 500=0.01%, 750=0.01%, 1000=0.01%
lat (msec) : 2=0.03%, 4=0.01%, 10=0.01%, 20=0.01%, 50=0.01%
lat (msec) : 100=0.01%, 250=0.01%, 500=0.01%, 750=0.01%
cpu : usr=1.94%, sys=4.69%, ctx=2328, majf=0, minf=62
IO depths : 1=100.0%, 2=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, >=64=0.0%
submit : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
complete : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
issued rwt: total=2621440,0,0, short=0,0,0, dropped=0,0,0
latency : target=0, window=0, percentile=100.00%, depth=1
Run status group 0 (all jobs):
READ: bw=103MiB/s (108MB/s), 103MiB/s-103MiB/s (108MB/s-108MB/s), io=10.0GiB (10.7GB), run=99102-99102msec
Disk stats (read/write):
rbd0: ios=3741/0, merge=7487/0, ticks=428805/0, in_queue=428827, util=99.12%
在这个命令中，我们指定了一个非常简单的参数组合，仅包括被测 rbd 设备（/dev/rbd0），以及 job 的名字（mytest）两个参数，但是 fio 仍然能够正常运行，并输出测试结果，这两个参数组合是 fio 运行时所需要显式指定的最小参数组合。当然，fio 在运行时不止会使用这两个参数，其他未指定的但运行时所必要的参数，fio 会使用其默认值。
接下来，我们来了解一下输出的测试结果的含义，我会将其分为几个部分来讲解，若运行更为复杂的 fio 命令，输出也大同小异。
Part 1：
mytest: (g=0): rw=read, bs=(R) 4096B-4096B, (W) 4096B-4096B, (T) 4096B-4096B, ioengine=psync, iodepth=1
作业概况，含义如下：
mytest：指定的作业名字。
g=0：该作业属于 group 0。
rw=read: 默认的 io pattern 是顺序读。
bs：分别表示用于 read/write/trim 的块大小，默认是4K。
ioengine=sync，默认 IO 引擎是psync。
iodepth=1：队列深度默认为1，表明设备上正在运行的 IO unit 数量不超过 1。
Part 2：
Jobs: 1 (f=1): [f(1)][100.0%][r=273MiB/s,w=0KiB/s][r=69.9k,w=0 IOPS][eta 00m:00s]
显示创建的job的状态，字段含义如下：
Jobs: 1：表示定义的作业，此处只定义了一个，也即进程数。
(f=1)：表示当前打开的文件数量
[R(1)]：表示该作业当前状态，此处表示运行，顺序读
[100.0%]：表示该作业预估完成的百分比，此处表示 100% 结束。
接下来，显示了 IO 速率，分别指（读/写/trim）带宽和 IOPS，其中trim是可选项。
Part 3
mytest: (groupid=0, jobs=1): err= 0: pid=3367325: Thu Apr 4 14:30:31 2019
作业名字以及作业相关信息，比如：group id，作业数（jobs=1），作业完成时间。
err= 0：作业运行过程，no errors happened。
Part 4
read: IOPS=26.5k, BW=103MiB/s (108MB/s)(10.0GiB/99102msec)
clat (nsec): min=1042, max=528258k, avg=37415.13, stdev=2331215.59
lat (nsec): min=1087, max=528258k, avg=37464.12, stdev=2331215.58
clat percentiles (nsec):
| 1.00th=[ 1160], 5.00th=[ 1192], 10.00th=[ 1208],
| 20.00th=[ 1240], 30.00th=[ 1256], 40.00th=[ 1304],
| 50.00th=[ 1368], 60.00th=[ 1448], 70.00th=[ 1496],
| 80.00th=[ 1592], 90.00th=[ 1768], 95.00th=[ 1992],
| 99.00th=[ 2576], 99.50th=[ 3504], 99.90th=[ 35584],
| 99.95th=[ 5406720], 99.99th=[119013376]
bw ( KiB/s): min= 8192, max=1136744, per=99.01%, avg=104755.10, stdev=208227.89, samples=198
iops : min= 2048, max=284186, avg=26188.71, stdev=52057.00, samples=198
lat (usec) : 2=95.25%, 4=4.31%, 10=0.22%, 20=0.09%, 50=0.03%
lat (usec) : 100=0.01%, 250=0.01%, 500=0.01%, 750=0.01%, 1000=0.01%
lat (msec) : 2=0.03%, 4=0.01%, 10=0.01%, 20=0.01%, 50=0.01%
lat (msec) : 100=0.01%, 250=0.01%, 500=0.01%, 750=0.01%
作业的IO统计信息：
IOPS=26.5k, BW=103MiB/s：IOPS、BW 性能指标值。
(10.0GiB/99102msec)：总共读取的数据量（10G）以及消耗的时间（99102毫秒）。
接下来是 IO 延迟相关的信息：slat/clat/lat/clat percentiles。
slat (usec):提交延迟【微秒】，即“需要多久将IO提交到Kernel进行处理”，the time it took to submit the I/O to kernel for processing。
clat (usec):完成延迟，即IO提交到Kernel到IO完成返回之间的时间，the time that passes between submission to the kernel and when the IO is complete, not including submission latency。
lat (usec):lat is the best metric which represents the whole latency an application would expericen. The avg slat + avg clat =~ avg lat 。
clat percentiles：clat的分布统计数据，表示 clat “置信级”。
90.00th=[ 1768]：表明 90% 的 IO 的平均 clat 是1768 nsec。
NOTES：其计算方式，所有 IO 结束后，按照每个 IO clat 的值从小到大依次排序，并分别计算出前1%的平均clat，如：1.00th=[ 1160]，百分比越大，clat的值也会随着增大。
bw/iops 的统计信息。
Bandwidth minimum, maximum, percentage of aggregate bandwidth received, average and standard deviation.
接下来就是：lat的统计分布数据，如下：
lat (usec) : 2=95.25%, 4=4.31%, 10=0.22%, 20=0.09%, 50=0.03%
lat (usec) : 100=0.01%, 250=0.01%, 500=0.01%, 750=0.01%, 1000=0.01%
lat (msec) : 2=0.03%, 4=0.01%, 10=0.01%, 20=0.01%, 50=0.01%
lat (msec) : 100=0.01%, 250=0.01%, 500=0.01%, 750=0.01%
如：2=95.25%，表明 95.25% 的 IO requests 完成的时延小于2 usec (微秒)，4=4.31%，4.31% 的request 完成的时延在 2 微秒和 4 微秒之间 [2, 4)，即大于等于 2 微秒，小于 4 微秒。
part 5
cpu : usr=1.94%, sys=4.69%, ctx=2328, majf=0, minf=62
CPU相关统计信息：
ctx：运行过程中，上下文切换次数
majf/minf：major/minor page faults的数量
part 6
IO depths : 1=100.0%, 2=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, >=64=0.0%
submit : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
complete : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
issued rwt: total=2621440,0,0, short=0,0,0, dropped=0,0,0
latency : target=0, window=0, percentile=100.00%, depth=1
IO 队列深度的统计分布情况：
IO depths：Distribution of I/O depths over the job lifetime. Each entry covers depths from that value, and up to those that are lower than the next entry… e.g., 16=covers depths from 16 to 31。
…16=100.0%...”，表明job was able to always have 16 IO unit in flight agaist the device。
IO submit/complete: distribution of submit/complete. Each entry denotes that amount and below, until the previous entry. e.g., 16=100% means that we submitted anywhere between 9 to 16 I/Os per submit call...
4=100%means that we submitted anywhere between 1 to 4 IOs per submit call.
IO issued：Number of read/write/trim requests issued, and number of short or drop read/write requests.
IO latency：Distribution of I/O completion latencies. The numbers follow the same pattern as IO depths.
part 7：
Run status group 0 (all jobs):
READ: bw=103MiB/s (108MB/s), 103MiB/s-103MiB/s (108MB/s-108MB/s), io=10.0GiB (10.7GB), run=99102-99102msec
group statistics：
io=10.0GiB (10.7GB)：读取的数据总量。
bw=103MiB/s (108MB/s)：Aggregate bandwidth of all jobs/threads in the group。
103MiB/s-103MiB/s：Minimum/Maximum average bandwidth a thread saw.
run=99102-99102msec：mint/maxt Shortest runtime of threads in the group.
NOTES：If we have more than one thread to run in a group, so we can see different values for mint/minimum and maxt/maximum,,, here they're same, because we just have one job.
Part 8：
Disk stats (read/write):
rbd0: ios=3741/0, merge=7487/0, ticks=428805/0, in_queue=428827, util=99.12%
磁盘信息：
ios=3741/0, 作业运行过程中读写的 IO 数量，3741 read IO and 0 write IO on /dev/rbd0
merge: Number of merges IO fromthe I/O scheduler，即在 IO request queue 中被IO电梯算法合并的IO数量。
ticks: Number of ticks we kept the disk busy. A sign that the device is saturated.
in_queue:Total time spent in the disk queue.(毫秒)，指 在 IO request queue 中消耗的时间。
util: 磁盘的利用率。
五、总结
通过本章的学习，我们了解了 fio 安装，fio 基本使用方式，以及 fio 输出结果中各字段所代表的含义。在接下来的一系列文章，我们将探索 fio 更多特性，期望通过该系列文章，能够熟练掌握 fio 测试工具，最终更好地为我们的测试工作服务。
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