最近在做連續(xù)數(shù)據(jù)流的緩沖系統(tǒng)，C語言代碼實現(xiàn)后，粗略測試了下，功能上應該沒有問題。那么，接下來就該測試性能了。輸入 top 命令，的確可以看到一系列 cpu 使用率，其中一個值得注意的子項就是 io 使用率了，如下圖：

top 命令

上圖中 io 前面的數(shù)字是什么意思呢？是指 CPU 有 63% 的時間花費在 io 上了嗎？在 Linux 中輸入 man 命令查看相關手冊，發(fā)現(xiàn) io(wait) 被解釋為“等待 I/O 完成的時間”。

“等待 I/O 完成的時間”

如果按照手冊對 iowait 字面上的解釋，是很容易陷入誤區(qū)的。因為就上例而言，似乎 CPU 有 63% 的時間消耗在等待 I/O 操作完成，導致 CPU 的性能白白浪費這么多。

其實不是的，Linux 是一個成熟的操作系統(tǒng)，它才不會讓 CPU 寶貴的性能白白浪費在耗時的 I/O 等待上，實際上，如果當前系統(tǒng)還有其他任務需要使用 CPU，Linux 會將等待 I/O 完成的任務暫時掛起，將 CPU 使用權暫時交給有需要的任務。

那么 iowait 到底是什么意思呢？

有人認為，iowait 只是 CPU 空閑(idle)時間的一個子集，也就是說 iowait 其實可以歸類到 idle 狀態(tài)，本質上表示 CPU 是空閑的，只不過 iowait 表示任務中有等待 I/O 操作完成的時間。

iowait 到底是什么意思呢？

這樣認為有一定的道理，畢竟哪怕 iowait 的數(shù)值是 100%，也僅僅是說明是 CPU 把時間都花在“等待”上了，這樣的情況一般只有在當前系統(tǒng)沒有其他任務需要使用 CPU 時才會發(fā)生。因為一旦有其他任務需要使用 CPU，Linux 內核會立刻將 CPU 提供給該任務使用，CPU 時間就不再全部是“等待I/O”花費的了(不再是 100% io 了)。

不過讀者應該明白的是，“idle”是 CPU 的狀態(tài)，而 “iowait”則是任務的狀態(tài)。對于單核 CPU 來說，同時只能有一個任務運行，上述說法可以認為是準確的。但是對于多核 CPU 來說，情況就有些不同了。

例如，某個系統(tǒng)擁有 4 個 CPU，有一個 I/O 超密集型任務正在運行，那么，iowait 會是 100% 呢，還是 25% 呢？換句話說，iowait 會是在其中一個 CPU 上 100%，其他CPU 上 0% 呢，還是會在 4 個 CPU 上平均 25 % 呢？

簡單做一個實驗

簡單做一個實驗就可以了。我們使用 Linux 中的 dd 命令模擬高密集 I/O 任務，這一過程可以通過輸入以下命令實現(xiàn)：

dd if=/dev/sda of=/dev/null bs=1MB

這條命令可能需要 root 權限，/dev/sda 是我的磁盤，讀者可能需要換成自己的節(jié)點名。

此時，通過 top 命令可以查看到下面這樣的結果：

top 命令

圖中的 “wa”表示 I/O 等待時間(它和 io、iowait 是一個意思，名字不同而已)。可見，Linux 此時采用單個 CPU 處理 I/O 任務。如果讀者細心的話，應該能夠發(fā)現(xiàn)，I/O 任務只是偶爾的切換到其他 CPU 上運行，這是為了保證 CPU 緩沖的命中率，Linux 內核盡量讓任務在單個 CPU 中運行。

在其他一些系統(tǒng)中，I/O 任務可能會在各個CPU中頻繁的切換，此時會產(chǎn)生下面這樣的結果：

I/O 任務可能會在各個CPU中頻繁的切換

假設 dd 命令是系統(tǒng)中執(zhí)行 I/O 的唯一任務，那么在同一時刻，最多只會有一個 CPU 處理 I/O 等待任務。因此，實際上 34.8+20.9+26.7+3.7=86.1，接近但低于100。

進一步實驗

為了讓實驗更可重現(xiàn)，我們可以使用 taskset 命令為任務指定 CPU：

taskset 1 dd if=/dev/sda of=/dev/null bs=1MB

應該注意，taskset 后的數(shù)字 1 并不是 CPU 的編號，而是一種掩碼。

此時通過 top 命令查看 CPU 使用請看，應該能夠發(fā)現(xiàn) CPU0 的 wa 項接近 100，這說明 CPU0 幾乎所有的時間都花在等待 I/O 操作完成上。那么，是不是此時 CPU 就沒有精力處理其他任務了呢？我們再輸入下面這條命令：

taskset 1 sh -c "while true; do true; done"

上面這條命令是在相同的 CPU 上執(zhí)行一個死循環(huán)，用于模擬計算密集型任務，它是不是就沒有機會執(zhí)行了呢？輸入 top 命令，得到如下結果：

CPU0 的 wa 降低為 0 了

CPU0 的 wa 降低為 0 了，與此同時，用戶態(tài)和系統(tǒng)態(tài)的 CPU 時間接近 100% 了。這是意料之中的，因為本質上 CPU 是空閑的，Linux 內核當然可以把 CPU 交給第二個任務使用。原本用于等待 I/O 完成的 CPU 時間，現(xiàn)在用于處理第二個任務了。此時通過 top 命令查看 wa，自然得到接近 0 的結果。

小結

現(xiàn)在基本就清楚 top 命令中 % io 的含義了：對于指定的 CPU 來說，iowait 表示在此時間內，CPU 其實是空閑的，不過 CPU 并不是嚴格意義上的“空閑”，畢竟它還需要等待 I/O 操作完成。對于產(chǎn)生 I/O 操作請求的線程來說，它會阻塞等待 I/O 操作完成。理解這一點，對于我們開發(fā)I/O操作密集的C語言程序是非常有幫助的。

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總結

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