隨著云計(jì)算技術(shù)與服務(wù)的發(fā)展和進(jìn)步，越來越多的客戶選擇將業(yè)務(wù)部署到云端。但由于引入了虛擬化層，在業(yè)務(wù)部署過程中經(jīng)常會(huì)遇到IO問題，通常也不易調(diào)試。本文主要介紹利用perf、systemtap等工具，幫助一位托管云客戶調(diào)試IO性能問題，來分析虛擬環(huán)境下Windows IO的性能。

問題出現(xiàn)

有一次，托管云客戶自己搭建了虛擬化環(huán)境，在同一臺(tái)宿主機(jī)上創(chuàng)建windows 2008 R2 和 Centos6.5虛擬機(jī)，用fio分別測(cè)試其隨機(jī)讀性能，windows 2008 R2的IOPS大約在18K，而Linux的IOPS卻可以達(dá)到100K左右。

客戶測(cè)試用的fio 配置

[global] 
ioengine=windowsaio 
direct=1 
iodepth=64 
thread=1 
size=20g 
numjobs=1 
[4k] 
bs=4k 
filename=d:test.img 
rw=randread 

測(cè)試結(jié)果

win_fio1 

云主機(jī)IO棧

io stack

云主機(jī)環(huán)境下，整個(gè)IO棧相對(duì)較長(zhǎng)，涉及到Guest OS中的應(yīng)用層/文件系統(tǒng)/Block層以及驅(qū)動(dòng)層，虛擬化層，宿主機(jī)OS文件系統(tǒng)/Block層以及驅(qū)動(dòng)層。因?yàn)樯婕懊娑?，所以其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)造成性能下降，也為做IO的Tracing增加了難度。

從這次得到的信息來看，首先排除了宿主機(jī)文件系統(tǒng)和Block層以及驅(qū)動(dòng)層的問題，因?yàn)橥瑯忧闆r的配置，Linux系統(tǒng)并沒有問題。

目前主要集中于兩點(diǎn)：

• Guest OS(Windows系統(tǒng))
• fio程序
• 文件系統(tǒng)/Block layer
• VirtIO Block驅(qū)動(dòng)

虛擬機(jī)為Guest OS提供的是Virtio Block設(shè)備：

• QEMU

如何排除QEMU的嫌疑?對(duì)于IOPS的性能問題，很容易想到兩種可能性:

• IO延時(shí)過高
• 設(shè)備支持IO隊(duì)列太短

在隊(duì)列的問題方面，Linux和Windows虛擬機(jī)對(duì)應(yīng)的Virtio Block設(shè)備都是一樣的，那么就需要確認(rèn)延時(shí)問題。

QEMU 完成Block IO花了多長(zhǎng)時(shí)間?

幸運(yùn)的是，Stefan Hajnoczi已經(jīng)為QEMU添加了Tracing的特性，因此可以很方便的統(tǒng)計(jì)出QEMU從接收到一個(gè)IO請(qǐng)求到完成所用的具體時(shí)長(zhǎng)。

從上述統(tǒng)計(jì)來看，平均IO完成時(shí)間在130us，由此暫時(shí)排除QEMU 層造成太高延時(shí)的影響。另外，如果關(guān)注這種動(dòng)態(tài)Tracing的overhead，從測(cè)試觀察上大致接近20%。

排除隊(duì)列和延時(shí)問題，可能造成影響的也只有Guest OS了。

• VirtIO Block驅(qū)動(dòng)的問題?至少更新到***穩(wěn)定版本的Virtio-Win驅(qū)動(dòng)，仍然存在同樣的問題。
• Windows 文件系統(tǒng)/Block層的問題?原生Windows系統(tǒng)在確認(rèn)后并沒有做任何配置上的修改。
• fio測(cè)試程序的問題？為什么Linux上fio沒有問題呢。

兩種可能性

在性能排查過程中，總是很容易陷入死局，經(jīng)常會(huì)問到底是哪兒出了問題?因此一切可能影響的因素似乎都沒有做任何變動(dòng)。從經(jīng)驗(yàn)來看，大部分性能問題都可以分成兩種可能:

• on cpu
• off cpu

重新來看這個(gè)問題 ，在基本排除IO延時(shí)問題后，對(duì)應(yīng)的問題還有兩種可能性：

• CPU極其忙碌，但是大部分時(shí)間并不是在做IO處理;
• CPU經(jīng)常處于空閑狀態(tài)，那相應(yīng)的也沒有主要在處理IO。

注：之所以說到目前為止并不能排除IO延時(shí)的影響，是因?yàn)橹慌懦薗EMU Block層可能的影響，但是還有Guest OS(這次暫時(shí)忽略Guest OS)。

先看測(cè)試過程中，虛擬機(jī)的CPU消耗情況。

top -H -p 36256 

win_fio1 

從上圖來看，QEMU主線程的cpu負(fù)載已經(jīng)達(dá)到90%以上，似乎符合on cpu類問題。通常來說，解決這類問題***的辦法就是用perf進(jìn)程采樣，然后生成火焰圖，因?yàn)槭紫炔榭碈PU具體消耗在什么地方是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

perf record -a -g -p 36256 sleep 20 

生成火焰圖：

win2008-bad 

可以清楚的看到，cpu大部分消耗都是KVM的操作，其中最主要的消耗是vmx_handle_exit。(真實(shí)的火焰圖是一個(gè)矢量圖，用瀏覽器查看很容易確認(rèn))。這里引起vmx_handle_exit主要有兩點(diǎn):

• 訪問IO Port(handle_pio)
• 訪問 MMIO(handle_apic_access)

既然KVM模塊占了大部分，那就更希望了解測(cè)試時(shí)KVM的真實(shí)行為，通過另一個(gè)工具(kvm_stat)可以達(dá)到。

kvm_pio 

除VM Entry和VM Exit事件外，***的就是kvm_pio和 kvm_mmio，說明Windows確實(shí)有大量IO Port和MMIO操作，這也驗(yàn)證了在火焰圖上所得出的結(jié)論。

在虛擬化里，IO Port或者M(jìn)MIO都可能引起VM Exit，甚至是Heavy Exit。如果需要改善性能，一般都會(huì)盡量避免這種情況，至少避免Heavy Exit.

具體訪問哪些IO Port和MMIO導(dǎo)致的VM Exit?

對(duì)于這個(gè)問題，KVM模塊已經(jīng)加了很多trace event，上面的kvm_stat也是利用這些trace event，只是并沒有把具體trace event信息打印出來。為了獲取trace-event的信息，有很多前端工具，如trace-cmd、perf，都是不錯(cuò)的選擇。

• 查看所有kvm模塊的trace event

[xs3c@devhost1 ]# trace-cmd list -e | grep kvm 
kvmmmu:kvm_mmu_pagetable_walk 
kvmmmu:kvm_mmu_paging_element 
kvmmmu:kvm_mmu_set_accessed_bit 
kvmmmu:kvm_mmu_set_dirty_bit 
kvmmmu:kvm_mmu_walker_error 
kvmmmu:kvm_mmu_get_page 
kvmmmu:kvm_mmu_sync_page 
kvmmmu:kvm_mmu_unsync_page 
kvmmmu:kvm_mmu_zap_page 
kvm:kvm_entry 
kvm:kvm_hypercall 
kvm:kvm_pio 
kvm:kvm_cpuid 
kvm:kvm_apic 
kvm:kvm_exit 
kvm:kvm_inj_virq 
kvm:kvm_inj_exception 
kvm:kvm_page_fault 
kvm:kvm_msr 
kvm:kvm_cr 
kvm:kvm_pic_set_irq 
kvm:kvm_apic_ipi 
kvm:kvm_apic_accept_irq 
kvm:kvm_eoi 
kvm:kvm_pv_eoi 
kvm:kvm_write_tsc_offset 
kvm:kvm_ple_window 
kvm:kvm_vcpu_wakeup 
kvm:kvm_set_irq 
kvm:kvm_ioapic_set_irq 
kvm:kvm_ioapic_delayed_eoi_inj 
kvm:kvm_msi_set_irq 
kvm:kvm_ack_irq 
kvm:kvm_mmio 

KVM模塊添加了許多trace event的點(diǎn)，這里只抓起其中兩個(gè)——kvm:kvm_pio和kvm:kvm_mmio。

trace-cmd-pio-mmio 

通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)主要訪問的：

• IO Port是0x608和0xc050;
• MMIO是0xFEE003xx

經(jīng)由qemu info mtree命令，可以查看IO Port 608、c050以及FEE003xx分別對(duì)應(yīng)的具體設(shè)備。

• IO Port

0000000000000608-000000000000060b (prio 0, RW): acpi-tmr 000000000000c040-000000000000c07f (prio 1, RW): virtio-pci 

• MMIO

00000000fee00000-00000000feefffff (prio 4096, RW): icc-apic-container 

c050可以忽略，這個(gè)被Virtio Block來做VM Exit。

到目前為止，可以判斷出wnidows大量讀取ACPI Power Manager Timer以及訪問APIC寄存器，進(jìn)而導(dǎo)致過多vm exit產(chǎn)生，消耗大量CPU資源，因此就可以具體討論兩個(gè)問題：

• 如何減少讀取ACPI PM Timer寄存器而引起的VM Exit;
• 如何減少訪問APIC MMIO導(dǎo)致的VM Exit。

如何減少讀取ACPI PM Timer而引起的VM Exit?

從虛擬化層優(yōu)化的思路來說，減少IO Port引發(fā)的VM Exit通常會(huì)考慮是否可以利用Para-virtulization替換Full-virtualization 以達(dá)到目的，來看Windows在這方面是如何做的。

從Windows 7開始，微軟為了使Windows 操作系統(tǒng)能夠在HyperV得到更好性能，特意為Windows系統(tǒng)做了很多虛擬化方面的增強(qiáng)工作，其中就包括這里可以利用到的HyperV Timer，這個(gè)特性類似于Linux中的kvmclock。

從當(dāng)前的支持情況來看：

• Windows 7
• Windows 7 SP1
• Windows Server 2008 R2
• Windows Server 2008 R2 SP1/SP2
• Windows 8/8.1/10
• Windows Server 2012
• Windows Server 2012 R2

qemu和libvirt添加了HyperV Timer的支持，所以可以直接通過libvirt使能HyperV Timer。另外，KVM里很早也支持了HyperV Timer，只是客戶的宿主機(jī)內(nèi)核版本并不支持該功能，所以需要為客戶升級(jí)UCloud自己維護(hù)的內(nèi)核版本。

如何減少APIC ACCESS而引起VM Exit?

Intel CPU也已經(jīng)支持apic-v，同樣升級(jí)到UCloud自己維護(hù)的內(nèi)核版本來解決。

最終效果

win-fio-good 

win-good 

總結(jié)

從這個(gè)案例可以看出，跟物理環(huán)境相比，在虛擬化環(huán)境下，WindowsIO性能較差時(shí)，并不一定真正是IO路徑出現(xiàn)問題，可能是一些虛擬化性能的問題對(duì)IO性能造成了很大影響。

【本文是51CTO專欄機(jī)構(gòu)作者“大U的技術(shù)課堂”的原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請(qǐng)通過微信公眾號(hào)(ucloud2012)聯(lián)系作者】

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