9、文件系统分析：传统工具与BPF工具的综合应用

文件系统分析：传统工具与BPF工具的综合应用

1. 文件系统分析概述

文件系统分析一直以来都聚焦于磁盘输入/输出及其性能，但文件系统本身才是分析的关键起点。应用程序常直接与文件系统交互，而文件系统会采用缓存、预读、缓冲和异步输入/输出等技术，以减少应用程序磁盘输入/输出操作的延迟。

由于传统的文件系统分析工具相对较少，BPF（Berkeley Packet Filter）追踪技术在这一领域能发挥重要作用。文件系统追踪工具可以测量应用程序在输入/输出操作（包括磁盘输入/输出）时的等待时间、锁的持续时间以及其他CPU使用特征。通过这些工具，还能确定进程及其操作的文件，这在磁盘层面是很难获取的重要信息。

1.1 学习目标

• 了解文件系统的组件，如虚拟文件系统（VFS）、缓存和延迟写入（write-back）。
• 理解使用BPF工具分析文件系统的目的。
• 掌握有效的文件系统性能分析策略。
• 根据文件、操作类型和进程确定文件系统的负载特征。
• 评估文件系统操作中的延迟分布，识别双峰分布和异常延迟。
• 确定与延迟写入事件相关的延迟。
• 评估页面缓存和预读机制的性能。
• 熟悉观察目录缓存和索引节点（inode）行为的方法。
• 使用bpftrace单行脚本以非标准方式分析文件系统的工作情况。

2. 文件系统基础

2.1 输入/输出堆栈

输入/输出堆栈展示了从应用程序到磁盘设备的路径，其结构如下：