Linux命令拾遗-%iowait指标代表了什么？

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简介

一直以来，我都知道top、vmstat、mpstat中有一个叫wa(%iowait)的cpu指标，但对它表示的具体含义又不是很清楚，故专门去网上学习了一下。

iowait在man中的介绍

man文档是学习命令的第一手资料，先来看看man文档中的介绍，如下：

$ man top
wa, IO-wait : time waiting for I/O completion.

$ man vmstat
wa: Time spent waiting for IO.  Prior to Linux 2.5.41, included in idle.

$ man mpstat
%iowait
    Show the percentage of time that the CPU or CPUs were idle during which the system had an outstanding disk I/O request.

$ man iostat
%iowait
    Show the percentage of time that the CPU or CPUs were idle during which the system had an outstanding disk I/O request.

$ man sar
 %iowait
    Percentage of time that the CPU or CPUs were idle during which the system had an outstanding disk I/O request.

翻译过来就是CPU空闲且有正在进行的磁盘IO的情况下所占的时间比例，理解起来非常模糊，只能大概了解到这个指标好像和磁盘IO有关。

iowait真相

在man中查不到，那就只能去网上找找了，看有没有大佬在网上分享过这方面知识，在经过好一段时间的baidu、google，终于发现了如下两篇文章：
1. The precise meaning of I/O wait time in Linux ，英文的讲解，并含有一些命令实践。
2. Linux Kernel iowait 时间的代码原理，从内核代码层面讲解。

可以说这两篇文章介绍得非常清楚了，我用白话概括一下内核处理过程，如下：

我们知道操作系统给每个CPU分配了一个运行队列rq，用于存放可运行的线程task_stuct，调度器每次都是从此队列中取线程执行，若队列为空则CPU执行内核空闲线程的代码。
当线程执行io操作时，需要将当前任务切换出去，会先将当前线程task_stuct.in_iowait设置为1，线程状态设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE(D状态)，并将运行队列上rq.nr_iowait加1，而io完成后task_stuct.in_iowait还原为0，rq.nr_iowait减1，具体见内核io_schedule_timeout函数，可见rq.nr_iowait代表当前CPU上等待io操作的线程数量。
当CPU执行内核空闲代码时，会判断rq.nr_iowait，若大于0则将空闲时间计算在iowait上，否则计算在idle上，具体见内核account_idle_time函数。

总结一下idle与iowait区别，如下：

iowait时间实际上就是CPU空闲时间，Linux上空闲时间有两类，一类是普通的idle，另一类是iowait。
普通idle与iowait区别是，iowait是CPU空闲时，有任务正在做磁盘io操作，而idle则没有。

iowait高代表io压力大？

iowait指标是从CPU角度看io，但毕竟不是从io层面看的，所以iowait高也不一定代表有问题，如下：

如果程序迁移到性能更好的CPU上，由于CPU运行代码变快，会导致空闲时间变多，而iowait时间实际上就是空闲时间，所以有时会发现，性能更好的机器上iowait反而更高了。
比如有这样两个程序，程序A在10s内每1s都做1次io操作，假设io操作需要1s，那么10s内的iowait是100%，而程序的IOPS是1。另一程序B在10s的前1s内并发执行了10次io操作，那么iowait是10%，而程序的峰值IOPS是10。虽然例子比较极端，但这里很明显程序B的IOPS峰值更高，但它的iowait却更低。

虽说iowait并不能准确反映io情况，但它也不是完全没用的，在大多数情况下，iowait高确实代表了io压力大，并且它至少提示了你应该进一步检查一下io情况，这方面iostat、iotop、blktrace等可以做到。

另外，从上面的iowait原理中你会发现，处在iowait的线程，其必定是D状态的(TASK_UNINTERRUPTIBLE)，这在之前也提到过，D状态是会影响系统负载的，详细可查看 Linux命令拾遗-理解系统负载

命令实践

stress -d命令可以模拟做大量的磁盘操作，并使用taskset将stress绑定到3号核上运行，如下：

$ taskset --cpu-list 3 stress -d 1 --hdd-bytes 100G
stress: info: [9160] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 0 vm, 1 hdd

然后使用mpstat -P ALL 1观察iowait情况，发现3号核iowait高达88%，如下：

然后新开一个shell窗口，使用stress -c命令模拟大量的CPU运算，也使用taskset绑定到3号核上运行，如下：

$ taskset --cpu-list 3 stress -c 1
stress: info: [9178] dispatching hogs: 1 cpu, 0 io, 0 vm, 0 hdd

再次使用mpstat -P ALL 1观察iowait情况，发现3号核iowait变成了0%，而%usr几乎满载，如下：

如果你理解了上面的内容，就能理解这个示例了。
第一次因为只有stress -d在做io操作，所以CPU基本都是空闲的，而空闲期间基本都是有在做io的任务存在的，所以iowait高。
第二次因为加入stress -c使得CPU不再空闲，而iowait实际上就是空闲时间，所以iowait自然就变成0了。

当然，如果你有兴趣，还可以试下这两个命令，它们可以将%sys、%nice变成100%，如下：

# 使得%sys满载
$ taskset --cpu-list 3 dd if=/dev/zero of=/dev/null bs=1M count=1000000

# 使得%nice满载
$ taskset --cpu-list 3 nice -n 19 stress -c 1

本系列文章索引
Linux命令拾遗-入门篇
 Linux命令拾遗-文本处理篇
 Linux命令拾遗-软件资源观测
 Linux命令拾遗-硬件资源观测
 Linux命令拾遗-剖析工具
 Linux命令拾遗-动态追踪工具
 Linux命令拾遗-理解系统负载
 Linux命令拾遗-top中的%nice是啥
 Linux命令拾遗-网络抓包工具
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