如何用sysbench做好IO性能测试

sysbench 是一个非常经典的综合性能测试工具，通常都用它来做数据库的性能压测，但也可以用来做CPU，IO的性能测试。而对于IO测试，不是很推荐sysbench，倒不是说它有错误，工具本身没有任何问题，它的测试方法导致测试的数据会让人有些困惑：性能数据到底是不是这样呢，跟云厂商承诺的性能有关系嘛。一般我们都用FIO来进行性能测试，云厂商都推荐用FIO进行性能测试，通过FIO性能测试，都能轻易达到云厂商承诺的性能。

插曲：关于sysbench的版本，现在主要有0.4.12和1.0.版本。截止2006年sysbench好长时间没有发展，2017年之前都是用旧版本0.4.12（所以网上一搜一大堆文章都是0.4.的教程），然后作者估计修了几个bug，变成0.5版本，然后就跟过去做了告别，从2017重新开发了一个新版本sysbench 1.0.*，这里讲述的性能测试都是用了最新版。

1. sysbench fileio测试

言归正传，sysbench怎么做IO的性能测试呢，sysbench fileio help,参数如下：

#/usr/local/sysbench_1/bin/sysbench fileio help
sysbench 1.0.9 (using bundled LuaJIT 2.1.0-beta2)

fileio options:
  --file-num=N              number of files to create [128]
  --file-block-size=N       block size to use in all IO operations [16384]
  --file-total-size=SIZE    total size of files to create [2G]
  --file-test-mode=STRING   test mode {seqwr, seqrewr, seqrd, rndrd, rndwr, rndrw}
  --file-io-mode=STRING     file operations mode {sync,async,mmap} [sync]
  --file-async-backlog=N    number of asynchronous operatons to queue per thread [128]
  --file-extra-flags=STRING additional flags to use on opening files {sync,dsync,direct} []
  --file-fsync-freq=N       do fsync() after this number of requests (0 - don't use fsync()) [100]
  --file-fsync-all[=on|off] do fsync() after each write operation [off]
  --file-fsync-end[=on|off] do fsync() at the end of test [on]
  --file-fsync-mode=STRING  which method to use for synchronization {fsync, fdatasync} [fsync]
  --file-merged-requests=N  merge at most this number of IO requests if possible (0 - don't merge) [0]
  --file-rw-ratio=N         reads/writes ratio for combined test [1.5]

sysbench的性能测试都需要做prepare,run,cleanup这三步，准备数据，跑测试，删除数据。那下面就开始实战：
客户用2C4G的vm,挂载120G的SSD云盘做了性能测试，测试命令如下：

cd /mnt/vdb  #一定要到你测试的磁盘目录下执行，否则可能测试系统盘了
sysbench fileio --file-total-size=15G --file-test-mode=rndrw --time=300 --max-requests=0 prepare
sysbench fileio --file-total-size=15G --file-test-mode=rndrw --time=300 --max-requests=0 run
sysbench fileio --file-total-size=15G --file-test-mode=rndrw --time=300 --max-requests=0 cleanup

结果如下：

File operations:
    reads/s:                      2183.76
    writes/s:                     1455.84
    fsyncs/s:                     4658.67

Throughput:
    read, MiB/s:                  34.12
    written, MiB/s:               22.75

General statistics:
    total time:                          300.0030s
    total number of events:              2489528

Latency (ms):
         min:                                  0.00
         avg:                                  0.12
         max:                                204.04
         95th percentile:                      0.35
         sum:                             298857.30

Threads fairness:
    events (avg/stddev):           2489528.0000/0.00
    execution time (avg/stddev):   298.8573/0.00

随机读写性能好像不咋地，换算IOPS为(34.12+22.75)*1024/16.384=3554.375，与宣称的5400IOPS有很大差距。眼尖的人肯定发现只有2个核，去遍历128个文件，好像会降低效率，于是定制file-num去做了系列测试，测试结果如下：

file-num	1	2	4	8	16	32	64	128
read(MB/s)	57.51	57.3	57.36	57.33	55.12	47.72	41.11	34.12
write(MB/s)	38.34	38.2	38.24	38.22	36.75	31.81	27.4	22.75

明显可以看到，默认测试方法会导致性能下降，文件数设置为1达到最大性能。
那file-num=128与file-num=1的区别是测试文件从128个变成1个，但是总文件大小都是15G，都是随机读写，按理性能应该是一致的，区别是会在多个文件之间切换读写，那么可能会导致中断增加和上下文切换开销增大。通过vmstat命令得到了验证：
file-num=128的vmstat输出是这样的：

file-num=1的vmstat输出是这样的：

从上面两个图可以看出file-num=1的时候上下文切换只有8500左右比file-num=128的时候24800小多了，in（中断）也少太多了。减少了中断和上下文切换开销，吞吐能力显著提升了。
再做了一个实验，同样磁盘大小，改成挂载到8C的vm下，改成8线程进行测试，得到如下数据：

file-num	1	2	4	8	16	32	64	128
read(MB/s)	253.08	209.86	193.38	159.73	117.98	86.78	67.39	51.98
write(MB/s)	168.72	139.9	128.92	106.49	78.66	57.85	44.93	34.65

可以得出同样的结论，file-num=1可以得到最好的性能，理由如上。

2. 与fio测试的比较

单进程下，file-num=1换算到IOPS为(57.51+38.34)*1024/16.384=5990.625，这好像超过我们的IOPS设置限定了。通过fio是怎么测得这个IOPS的呢：

fio -direct=1 -iodepth=128 -rw=randrw -ioengine=libaio -bs=4k -size=1G -numjobs=1 -runtime=1000 -group_reporting -filename=iotest -name=randrw_test

通过阅读源代码，发现很多不同：

1. 一个是通过libaio，一个是通过pwrite/pread。libaio的性能是非常强劲的，详情可以参考文章。
   即使ioengine=psync，这个engine的读写方法是pread和pwrite，但是整个实现也是不一致的。
2. fio测试的时候direct=1，就是每次都写入磁盘，而sysbench默认file-fsync-freq=100，也就是完成100次操作才会有一个fsync操作，这种操作涉及系统缓存。

3. 深入一步

上节认为操作系统干扰以及io读写方式的差异，造成了测试数据的不一致。深入去研究了下源代码，其实sysbench的作者是提倡用libaio，代码里面大量地运用了宏定义，如：

/* 异步写的截取代码 */
#ifdef HAVE_LIBAIO
  else if (file_io_mode == FILE_IO_MODE_ASYNC)
  {
    /* Use asynchronous write */
    io_prep_pwrite(&iocb, fd, buf, count, offset);

    if (file_submit_or_wait(&iocb, FILE_OP_TYPE_WRITE, count, thread_id))
      return 0;

    return count;
  }
#endif

那怎么启用这个宏呢，默认就是启用这个宏的。
启用这个宏后，执行sysbench fileio help,会发现有这一项：--file-async-backlog=N number of asynchronous operatons to queue per thread [128]，说明HAVE_LIBAIO这个宏确实生效了。
既然sysbench默认有libaio后，那整个测试方法需要调整：

# --file-extra-flags=direct 文件读写模式改成direct
# --file-io-mode=async 确保libaio起效
# --file-fsync-freq=0 不需要执行fsync
sysbench fileio --file-total-size=15G --file-test-mode=rndrw --time=300 --max-requests=0 --file-io-mode=async --file-extra-flags=direct  --file-num=1 --file-rw-ratio=1 --file-fsync-freq=0 run

得到测试结果如下：

对于FIO命令也进行了调整，把bs调整成16k，其他不变，还是达到上限5400。测试结果如下：

可以看到sysbench测试的效果与fio的测试效果完全一致！
不过个人还是推荐FIO来做IO的性能测试。