SystemTapでMySQL 5.5のDisk I/Oを分析する

http://d.hatena.ne.jp/sh2/20111121

2010年1月の記事SystemTapでMySQLのDisk I/Oを分析するの続きです。以前作成したSystemTap スクリプトは、実はMySQL 5.5のDisk I/Oを分析することができませんでした。というのも、MySQL 5.5からInnoDBが非同期I/Oを行うようになったのですが、以前のスクリプトは非同期I/Oに対応していなかったためです。本日はMySQL 5.5におけるInnoDBの非同期I/Oについて、確認していきたいと思います。

非同期I/Oとは

非同期I/Oとは、I/O処理をブロックされることなしに行う方式のことです。通常のI/O処理はそれが完了するまで待たされてしまうのですが、非同期I/Oを用いることでI/O処理の完了を待つことなしに他の処理を進めることができます。以下のウェブサイトでとても詳しく解説されています。

詳解 Linuxカーネル第3版をお持ちの方は、16.4.1章「Linux 2.6における非同期I/O」も合わせてご覧ください。

MySQL 5.5のInnoDBにおける非同期I/Oの利用

InnoDBは元々Windowsでのみ非同期I/Oを行っており、それ以外のプラットフォームでは「simulated AIO」と呼ばれる擬似的な非同期I/Oを行っていました。これはSQLを実行するコネクションスレッドがI/O要求をキューイングし、I/OヘルパースレッドがI/O要求をキューから取り出して実際のI/Oを行うというものです。コネクションスレッドがI/Oの完了を待たなくて良いという意味では確かに非同期ですが、I/Oヘルパースレッドが行う処理はあくまで同期I/Oであるため、この方式はsimulated AIOと呼ばれていました。I/Oヘルパースレッドの数はinnodb_read_io_threads、innodb_write_io_threadsという二つのパラメータで設定することが可能です。

MySQL 5.5のInnoDBでは、LinuxにおいてOSネイティブの非同期I/Oが利用されるようになりました。このためにはあらかじめlibaioパッケージをインストールしておく必要がありますが、設定パラメータinnodb_use_native_aioはデフォルトで有効になっており、何もしなければ自動的に非同期I/Oが利用されるようになっています。ただし現在のLinux カーネルでは、Direct I/Oを利用している場合にのみ非同期I/Oが非同期になるという点に注意してください。つまり、非同期I/Oを利用するにはinnodb_flush_method = O_DIRECTの設定が必須となります。

非同期I/Oが有効化されている場合、コネクションスレッドはI/O要求をキューイングするのではなく、直接非同期I/Oを発行するようになります。そしてI/Oヘルパースレッドは自分自身がI/O処理を行うのではなく、コネクションスレッドが行った非同期I/Oの完了を待機して後処理を行うという役割に変化します。具体的にはコネクションスレッドがio_submit(2)を行い、I/Oヘルパースレッドがio_getevents(2)を行うようになります。

これがどのようなメリットをもたらすかというと、I/Oヘルパースレッドの数を増やすことなしに一度に処理できるI/O要求の数を増やすことができるということになります。MySQL 5.1＋InnoDB Pluginの構成においてinnodb_read_io_threadsとinnodb_write_io_threadsはそれぞれデフォルトで4であり、読み込みで4つ、書き込みで4つまでのI/O要求を一度に処理することができました。しかし、MySQL 5.5においてはOSとストレージサブシステムが許す限りのI/O要求を一度に処理することができるようになります。例えばSATA Native Command Queuingでは、デバイスあたり最大32個のI/O要求をキューイングすることが可能となっています。

分析例

前回作成したSystemTap スクリプトを、非同期I/Oをプローブできるように改造しました。スクリプトは本エントリの末尾にあります。JdbcRunnerのTiny TPC-Cを用い、多重度16で負荷をかけたときのI/Oの様子を以下に示します。最初はMySQL 5.0.77のデータです。

-------- Synchronous I/O -------- ------- Asynchronous I/O --------

rTH   r/s  rKB/s wTH   w/s  wKB/s rTH   r/s  rKB/s wTH   w/s  wKB/s File

  0     0      0  17   164    629   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/ib_logfile1

  8     8    128   7    15  14496   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/ibdata1

 17   354   6992   1   160   2656   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/customer.ibd

  0     0      0   1     5     80   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/history.ibd

  2    22    464   0     0      0   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/item.ibd

  6     8    128   1    12    224   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/new_orders.ibd

 17    58    928   1    56   1008   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/order_line.ibd

 10    20    320   1    14    240   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/orders.ibd

 17  1057  20656   1   513   9264   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/stock.ibd

rTHはそのファイルを読み込んだスレッドの数、r/sは1秒あたりの読み込み回数、rKB/sは1秒あたりに読み込んだ容量(KB)を表しています。非同期I/Oは行われておらず、全て同期I/Oであることが分かります。テーブルスペースファイルに対して読み込みを行うスレッドは最大でコネクションスレッド数＋innodb_read_io_threadsの17個、書き込みを行うスレッドはinnodb_write_io_threadsの1つだけとなっています。

ここでお詫びですが、2009年の記事SSDの真の性能を引き出す MySQL 5.1.38 InnoDB Plugin - SH2の日記において、アーキテクチャの図が間違っていました。innodb_read_io_threadsは先読みだけを行うスレッドであり、通常のページ読み込みはコネクションスレッド自身が行います。コメント欄にあるid:mogwaingさんのご指摘が正しいです。どうもありがとうございました。描き直した図を以下に示します。

先読みというのは、ある程度連続したページの読み込みが要求された際に、フルスキャンだと判断して次に読まれるであろう先の方のデータをあらかじめ読み込んでおく仕組みのことです。詳しくはマニュアルの7.7. Changes in the Read-Ahead Algorithmをご覧ください。

次はMySQL 5.1.60＋InnoDB Pluginのデータです。

-------- Synchronous I/O -------- ------- Asynchronous I/O --------

rTH   r/s  rKB/s wTH   w/s  wKB/s rTH   r/s  rKB/s wTH   w/s  wKB/s File

  0     0      0  17   222    886   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/ib_logfile1

  6     6     96   4    12  11440   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/ibdata1

 16   458   7328   4   157   2528   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/customer.ibd

  5    10    160   4    24    480   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/history.ibd

  6     9    144   0     0      0   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/item.ibd

  4     6     96   0     0      0   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/new_orders.ibd

 17    70   1120   4    46    976   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/order_line.ibd

 14    29    464   3    21    352   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/orders.ibd

 16  1089  17424   4   385   7104   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/stock.ibd

MySQL 5.0.77と比べると、テーブルスペースファイルに対して書き込みを行っているスレッドの数が増えていることが分かります。非同期I/Oは行われていません。

最後に、MySQL 5.5.18のデータです。

-------- Synchronous I/O -------- ------- Asynchronous I/O --------

rTH   r/s  rKB/s wTH   w/s  wKB/s rTH   r/s  rKB/s wTH   w/s  wKB/s File

  0     0      0  17   156    651   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/ib_logfile0

 16    40    640   7    18  17072   0     0      0   4    62    992 /u02/mysql/ibdata1

 16   306   4896   0     0      0   0     0      0   7   145   2320 /u02/mysql/tpcc/customer.ibd

  1     1     16   0     0      0   3     5     80   1     1     16 /u02/mysql/tpcc/history.ibd

 13    22    352   0     0      0   0     0      0   0     0      0 /u02/mysql/tpcc/item.ibd

  9    22    352   0     0      0   0     0      0   2    36    576 /u02/mysql/tpcc/new_orders.ibd

 16    80   1280   0     0      0   6    11    176   6   110   1760 /u02/mysql/tpcc/order_line.ibd

 11   109   1744   0     0      0   0     0      0   2    12    192 /u02/mysql/tpcc/orders.ibd

 16  1178  18848   0     0      0   0     0      0   7   701  11216 /u02/mysql/tpcc/stock.ibd

テーブルスペースファイルに対する書き込みが非同期I/Oになっていることが分かります。また先読みも非同期I/Oになったため、historyテーブルとorder_lineテーブルに対して先読みが行われていることが判別できます。

このように、MySQL 5.5でI/Oの仕組みが変わりました。ただ性能面ではMySQL 5.1＋InnoDB Pluginの時点で既にかなり良くなっているため、そこからの改善幅はあまり大きくはないと思います。おそらく、よほど高性能なストレージを持ってこない限りI/O性能の違いは分からないでしょう。

SystemTap スクリプト

今回作成したSystemTap スクリプトを以下に示します。前回と同様Perl スクリプトとのセットになっているため、以下のようにパイプでつなげて実行してください。

# stap io2.stp | perl io2.pl

SystemTap スクリプトです。

global PROCNAME = "mysqld"

global fds

probe begin {

    printf("start\n")

}

probe syscall.read, syscall.pread {

    if (execname() == PROCNAME) {

        fds[pid(), tid()] = fd

    }

}

probe syscall.read.return, syscall.pread.return {

    if (execname() == PROCNAME && $return != -1) {

        printf("read\t%d\t%d\t%d\t%d\n", pid(), tid(), fds[pid(), tid()], $return)

    }

}

probe syscall.write, syscall.pwrite {

    if (execname() == PROCNAME) {

        fds[pid(), tid()] = fd

    }

}

probe syscall.write.return, syscall.pwrite.return {

    if (execname() == PROCNAME && $return != -1) {

        printf("write\t%d\t%d\t%d\t%d\n", pid(), tid(), fds[pid(), tid()], $return)

    }

}

probe syscall.io_submit {

    if (execname() == PROCNAME) {

        for (i = 0; i < nr; i++) {

            if ($iocbpp[i]->aio_lio_opcode == 0) {

                // IOCB_CMD_PREAD

                printf("aio_read\t%d\t%d\t%d\t%d\n",

                       pid(), tid(), $iocbpp[i]->aio_fildes, $iocbpp[i]->aio_nbytes)

            } else if ($iocbpp[i]->aio_lio_opcode == 1) {

                // IOCB_CMD_PWRITE

                printf("aio_write\t%d\t%d\t%d\t%d\n",

                       pid(), tid(), $iocbpp[i]->aio_fildes, $iocbpp[i]->aio_nbytes)

            }

        }

    }

}

probe syscall.close {

    if (execname() == PROCNAME) {

        printf("close\t%d\t%d\t%d\n", pid(), tid(), fd)

    }

}

probe timer.s(1) {

    printf("print\n")

}

集計用のPerl スクリプトです。

#!/usr/bin/perl

use strict;

use warnings;

my (%file_map, $do_print, %has_io, %rthreads, %rtimes, %rbytes, %wthreads, %wtimes, %wbytes,

    %aio_rthreads, %aio_rtimes, %aio_rbytes, %aio_wthreads, %aio_wtimes, %aio_wbytes);

$do_print = 0;

while (my $line = <>) {

    chomp($line);

    my ($call, $pid, $tid, $fd, $size) = split(/\t/, $line);

    if (($call eq 'read') or ($call eq 'write')

        or ($call eq 'aio_read') or ($call eq 'aio_write')) {

        if (!defined($file_map{"$pid,$fd"})) {

            $file_map{"$pid,$fd"} = readlink("/proc/$pid/fd/$fd") or next;

        }

        my $file = $file_map{"$pid,$fd"};

        if (substr($file, 0, 1) eq '/') {

            $do_print = 1;

            $has_io{$file} = 1;

            if ($call eq 'read') {

                $rthreads{$file}->{$tid} = 1;

                $rtimes{$file}++;

                $rbytes{$file} += $size;

            } elsif ($call eq 'write') {

                $wthreads{$file}->{$tid} = 1;

                $wtimes{$file}++;

                $wbytes{$file} += $size;

            } elsif ($call eq 'aio_read') {

                $aio_rthreads{$file}->{$tid} = 1;

                $aio_rtimes{$file}++;

                $aio_rbytes{$file} += $size;

            } elsif ($call eq 'aio_write') {

                $aio_wthreads{$file}->{$tid} = 1;

                $aio_wtimes{$file}++;

                $aio_wbytes{$file} += $size;

            }

        }

    } elsif ($call eq 'close') {

        if (defined($file_map{"$pid,$fd"})) {

            delete($file_map{"$pid,$fd"});

        }

    } elsif ($call eq 'print') {

        my ($sec, $min, $hour, $day, $mon, $year) = localtime();

        printf "%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d\n",

               $year + 1900, $mon + 1, $day, $hour, $min, $sec;

        if ($do_print == 1) {

            print "-------- Synchronous I/O -------- ------- Asynchronous I/O --------\n";

            print "rTH   r/s  rKB/s wTH   w/s  wKB/s rTH   r/s  rKB/s wTH   w/s  wKB/s File\n";

            foreach my $file (sort keys %has_io) {

                printf "%3d %5d %6d %3d %5d %6d %3d %5d %6d %3d %5d %6d %s\n",

                       scalar(keys(%{$rthreads{$file}})),

                       defined($rtimes{$file})     ? $rtimes{$file}            : 0,

                       defined($rbytes{$file})     ? $rbytes{$file}     / 1024 : 0,

                       scalar(keys(%{$wthreads{$file}})),

                       defined($wtimes{$file})     ? $wtimes{$file}            : 0,

                       defined($wbytes{$file})     ? $wbytes{$file}     / 1024 : 0,

                       scalar(keys(%{$aio_rthreads{$file}})),

                       defined($aio_rtimes{$file}) ? $aio_rtimes{$file}        : 0,

                       defined($aio_rbytes{$file}) ? $aio_rbytes{$file} / 1024 : 0,

                       scalar(keys(%{$aio_wthreads{$file}})),

                       defined($aio_wtimes{$file}) ? $aio_wtimes{$file}        : 0,

                       defined($aio_wbytes{$file}) ? $aio_wbytes{$file} / 1024 : 0,

                       $file;

            }

            print "\n";

            $do_print = 0;

            %has_io = %rthreads = %rtimes = %rbytes = %wthreads = %wtimes = %wbytes = ();

            %aio_rthreads = %aio_rtimes = %aio_rbytes = %aio_wthreads = %aio_wtimes = %aio_wbytes = ();

        }

    } else {

        print "$call\n";

    }

}