作為一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理員，關(guān)注系統(tǒng)的性能是日常最重要的工作之一，而在所關(guān)注的各方面的性能只能IO性能卻是最令人頭痛的一塊，面對著各種生澀的參數(shù)和令人眼花繚亂的新奇的術(shù)語，再加上存儲廠商的忽悠，總是讓我們有種云里霧里的感覺。本系列文章試圖從基本概念開始對磁盤存儲相關(guān)的各種概念進(jìn)行綜合歸納，讓大家能夠?qū)O性能相關(guān)的基本概念，IO性能的監(jiān)控和調(diào)整有個(gè)比較全面的了解。
在這一部分里我們先舍棄各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的存儲系統(tǒng)，直接研究一個(gè)單獨(dú)的磁盤的性能問題，藉此了解各個(gè)衡量IO系統(tǒng)系能的各個(gè)指標(biāo)以及之間的關(guān)系。需要注意的是，本文探討的僅限于磁盤IO性能，網(wǎng)絡(luò)IO性能不考慮在內(nèi)。
幾個(gè)基本的概念
在研究磁盤性能之前我們必須先了解磁盤的結(jié)構(gòu)，以及工作原理。不過在這里就不再重復(fù)說明了，關(guān)系硬盤結(jié)構(gòu)和工作原理的信息可以參考維基百科上面的相關(guān)詞條——Hard disk drive(英文)和硬盤驅(qū)動器(中文)。
讀寫IO(Read/Write IO)操作
磁盤是用來給我們存取數(shù)據(jù)用的，因此當(dāng)說到IO操作的時(shí)候，就會存在兩種相對應(yīng)的操作，存數(shù)據(jù)時(shí)候?qū)?yīng)的是寫IO操作，取數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)?yīng)的是是讀IO操作。
單個(gè)IO操作
當(dāng)控制磁盤的控制器接到操作系統(tǒng)的讀IO操作指令的時(shí)候，控制器就會給磁盤發(fā)出一個(gè)讀數(shù)據(jù)的指令，并同時(shí)將要讀取的數(shù)據(jù)塊的地址傳遞給磁盤，然后磁盤會將讀取到的數(shù)據(jù)傳給控制器，并由控制器返回給操作系統(tǒng)，完成一個(gè)寫IO的操作;同樣的，一個(gè)寫IO的操作也類似，控制器接到寫的IO操作的指令和要寫入的數(shù)據(jù)，并將其傳遞給磁盤，磁盤在數(shù)據(jù)寫入完成之后將操作結(jié)果傳遞回控制器，再由控制器返回給操作系統(tǒng)，完成一個(gè)寫IO的操作。單個(gè)IO操作指的就是完成一個(gè)寫IO或者是讀IO的操作。
隨機(jī)訪問(Random Access)與連續(xù)訪問(Sequential Access)
隨機(jī)訪問指的是本次IO所給出的扇區(qū)地址和上次IO給出扇區(qū)地址相差比較大，這樣的話磁頭在兩次IO操作之間需要作比較大的移動動作才能重新開始讀/寫數(shù)據(jù)。相反的，如果當(dāng)次IO給出的扇區(qū)地址與上次IO結(jié)束的扇區(qū)地址一致或者是接近的話，那磁頭就能很快的開始這次IO操作，這樣的多個(gè)IO操作稱為連續(xù)訪問。因此盡管相鄰的兩次IO操作在同一時(shí)刻發(fā)出，但如果它們的請求的扇區(qū)地址相差很大的話也只能稱為隨機(jī)訪問，而非連續(xù)訪問。
順序IO模式(Queue Mode)/并發(fā)IO模式(Burst Mode)
磁盤控制器可能會一次對磁盤組發(fā)出一連串的IO命令，如果磁盤組一次只能執(zhí)行一個(gè)IO命令時(shí)稱為順序IO;當(dāng)磁盤組能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)IO命令時(shí)，稱為并發(fā)IO。并發(fā)IO只能發(fā)生在由多個(gè)磁盤組成的磁盤組上，單塊磁盤只能一次處理一個(gè)IO命令。
單個(gè)IO的大小(IO Chunk Size)
熟悉數(shù)據(jù)庫的人都會有這么一個(gè)概念，那就是數(shù)據(jù)庫存儲有個(gè)基本的塊大小(Block Size)，不管是SQL Server還是Oracle，默認(rèn)的塊大小都是8KB，就是數(shù)據(jù)庫每次讀寫都是以8k為單位的。那么對于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用發(fā)出的固定8k大小的單次讀寫到了寫磁盤這個(gè)層面會是怎么樣的呢，就是對于讀寫磁盤來說單個(gè)IO操作操作數(shù)據(jù)的大小是多少呢，是不是也是一個(gè)固定的值?
答案是不確定。首先操作系統(tǒng)為了提高 IO的性能而引入了文件系統(tǒng)緩存(File System Cache)，系統(tǒng)會根據(jù)請求數(shù)據(jù)的情況將多個(gè)來自IO的請求先放在緩存里面，然后再一次性的提交給磁盤，也就是說對于數(shù)據(jù)庫發(fā)出的多個(gè)8K數(shù)據(jù)塊的讀操作有可能放在一個(gè)磁盤讀IO里就處理了。
還有對于有些存儲系統(tǒng)也是提供了緩存(Cache)的，接收到操作系統(tǒng)的IO請求之后也是會將多個(gè)操作系統(tǒng)的 IO請求合并成一個(gè)來處理。不管是操作系統(tǒng)層面的緩存還是磁盤控制器層面的緩存，目的都只有一個(gè)，提高數(shù)據(jù)讀寫的效率。因此每次單獨(dú)的IO操作大小都是不一樣的，它主要取決于系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)讀寫效率的判斷。
當(dāng)一次IO操作大小比較小的時(shí)候我們成為小的IO操作，比如說1K，4K，8K這樣的;當(dāng)一次IO操作的數(shù)據(jù)量比較的的時(shí)候稱為大IO操作，比如說32K，64K甚至更大。
在我們說到塊大小(Block Size)的時(shí)候通常我們會接觸到多個(gè)類似的概念，像我們上面提到的那個(gè)在數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)最小的管理單位，Oralce稱之為塊(Block)，大小一般為8K，SQL Server稱之為頁(Page)，一般大小也為8k。
在文件系統(tǒng)里面我們也能碰到一個(gè)文件系統(tǒng)的塊，在現(xiàn)在很多的Linux系統(tǒng)中都是4K(通過 /usr/bin/time -v可以看到)，它的作用其實(shí)跟數(shù)據(jù)庫里面的塊/頁是一樣的，都是為了方便數(shù)據(jù)的管理。但是說到單次IO的大小，跟這些塊的大小都是沒有直接關(guān)系的，在英文里單次IO大小通常被稱為是IO Chunk Size，不會說成是IO Block Size的。
IOPS(IO per Second)
IOPS，IO系統(tǒng)每秒所執(zhí)行IO操作的次數(shù)，是一個(gè)重要的用來衡量系統(tǒng)IO能力的一個(gè)參數(shù)。對于單個(gè)磁盤組成的IO系統(tǒng)來說，計(jì)算它的IOPS不是一件很難的事情，只要我們知道了系統(tǒng)完成一次IO所需要的時(shí)間的話我們就能推算出系統(tǒng)IOPS來。
現(xiàn)在我們就來推算一下磁盤的IOPS，假設(shè)磁盤的轉(zhuǎn)速(Rotational Speed)為15K RPM，平均尋道時(shí)間為5ms，最大傳輸速率為40MB/s(這里將讀寫速度視為一樣，實(shí)際會差別比較大)。
對于磁盤來說一個(gè)完整的IO操作是這樣進(jìn)行的：當(dāng)控制器對磁盤發(fā)出一個(gè)IO操作命令的時(shí)候，磁盤的驅(qū)動臂(Actuator Arm)帶讀寫磁頭(Head)離開著陸區(qū)(Landing Zone，位于內(nèi)圈沒有數(shù)據(jù)的區(qū)域)，移動到要操作的初始數(shù)據(jù)塊所在的磁道(Track)的正上方，這個(gè)過程被稱為尋址(Seeking)，對應(yīng)消耗的時(shí)間被稱為尋址時(shí)間(Seek Time);但是找到對應(yīng)磁道還不能馬上讀取數(shù)據(jù)，這時(shí)候磁頭要等到磁盤盤片(Platter)旋轉(zhuǎn)到初始數(shù)據(jù)塊所在的扇區(qū)(Sector)落在讀寫磁頭正上方的之后才能開始讀取數(shù)據(jù)，在這個(gè)等待盤片旋轉(zhuǎn)到可操作扇區(qū)的過程中消耗的時(shí)間稱為旋轉(zhuǎn)延時(shí)(Rotational Delay);接下來就隨著盤片的旋轉(zhuǎn)，磁頭不斷的讀/寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，直到完成這次IO所需要操作的全部數(shù)據(jù)，這個(gè)過程稱為數(shù)據(jù)傳送(Data Transfer)，對應(yīng)的時(shí)間稱為傳送時(shí)間(Transfer Time)。完成這三個(gè)步驟之后一次IO操作也就完成了。
在我們看硬盤廠商的宣***的時(shí)候我們經(jīng)常能看到3個(gè)參數(shù)，分別是平均尋址時(shí)間、盤片旋轉(zhuǎn)速度以及最大傳送速度，這三個(gè)參數(shù)就可以提供給我們計(jì)算上述三個(gè)步驟的時(shí)間。
第一個(gè)尋址時(shí)間，考慮到被讀寫的數(shù)據(jù)可能在磁盤的任意一個(gè)磁道，既有可能在磁盤的最內(nèi)圈(尋址時(shí)間最短)，也可能在磁盤的最外圈(尋址時(shí)間最長)，所以在計(jì)算中我們只考慮平均尋址時(shí)間，也就是磁盤參數(shù)中標(biāo)明的那個(gè)平均尋址時(shí)間，這里就采用當(dāng)前最多的10krmp硬盤的5ms。
第二個(gè)旋轉(zhuǎn)延時(shí)，和尋址一樣，當(dāng)磁頭定位到磁道之后有可能正好在要讀寫扇區(qū)之上，這時(shí)候是不需要額外額延時(shí)就可以立刻讀寫到數(shù)據(jù)，但是最壞的情況確實(shí)要磁盤旋轉(zhuǎn)整整一圈之后磁頭才能讀取到數(shù)據(jù)，所以這里我們也考慮的是平均旋轉(zhuǎn)延時(shí)，對于10krpm的磁盤就是(60s/15k)*(1/2) = 2ms。
第三個(gè)傳送時(shí)間，磁盤參數(shù)提供我們的最大的傳輸速度，當(dāng)然要達(dá)到這種速度是很有難度的，但是這個(gè)速度卻是磁盤純讀寫磁盤的速度，因此只要給定了單次 IO的大小，我們就知道磁盤需要花費(fèi)多少時(shí)間在數(shù)據(jù)傳送上，這個(gè)時(shí)間就是IO Chunk Size / Max Transfer Rate。
IOPS計(jì)算公式
現(xiàn)在我們就可以得出這樣的計(jì)算單次IO時(shí)間的公式：
IO Time = Seek Time + 60 sec/Rotational Speed/2 + IO Chunk Size/Transfer Rate
于是我們可以這樣計(jì)算出IOPS
IOPS = 1/IO Time = 1/(Seek Time + 60 sec/Rotational Speed/2 + IO Chunk Size/Transfer Rate)
對于給定不同的IO大小我們可以得出下面的一系列的數(shù)據(jù)
4K (1/7.1 ms = 140 IOPS)
5ms + (60sec/15000RPM/2) + 4K/40MB = 5 + 2 + 0.1 = 7.1
8k (1/7.2 ms = 139 IOPS)
5ms + (60sec/15000RPM/2) + 8K/40MB = 5 + 2 + 0.2 = 7.2
16K (1/7.4 ms = 135 IOPS)
5ms + (60sec/15000RPM/2) + 16K/40MB = 5 + 2 + 0.4 = 7.4
32K (1/7.8 ms = 128 IOPS)
5ms + (60sec/15000RPM/2) + 32K/40MB = 5 + 2 + 0.8 = 7.8
64K (1/8.6 ms = 116 IOPS)
5ms + (60sec/15000RPM/2) + 64K/40MB = 5 + 2 + 1.6 = 8.6
從上面的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)單次IO越小的時(shí)候，單次IO所耗費(fèi)的時(shí)間也越少，相應(yīng)的IOPS也就越大。
上面我們的數(shù)據(jù)都是在一個(gè)比較理想的假設(shè)下得出來的，這里的理想的情況就是磁盤要花費(fèi)平均大小的尋址時(shí)間和平均的旋轉(zhuǎn)延時(shí)，這個(gè)假設(shè)其實(shí)是比較符合我們實(shí)際情況中的隨機(jī)讀寫，在隨機(jī)讀寫中，每次IO操作的尋址時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延時(shí)都不能忽略不計(jì)，有了這兩個(gè)時(shí)間的存在也就限制了IOPS的大小。現(xiàn)在我們考慮一種相對極端的順序讀寫操作，比如說在讀取一個(gè)很大的存儲連續(xù)分布在磁盤的的文件，因?yàn)槲募拇鎯Φ姆植际沁B續(xù)的，磁頭在完成一個(gè)讀IO操作之后，不需要從新的尋址，也不需要旋轉(zhuǎn)延時(shí)，在這種情況下我們能到一個(gè)很大的IOPS值，如下
4K (1/0.1 ms = 10000 IOPS)
0ms + 0ms + 4K/40MB = 0.1
8k (1/0.2 ms = 5000 IOPS)
0ms + 0ms + 8K/40MB = 0.2
16K (1/0.4 ms = 2500 IOPS)
0ms + 0ms + 16K/40MB = 0.4
32K (1/0.8 ms = 1250 IOPS)
0ms + 0ms + 32K/40MB = 0.8
64K (1/1.6 ms = 625 IOPS)
0ms + 0ms + 64K/40MB = 1.6
相比第一組數(shù)據(jù)來說差距是非常的大的，因此當(dāng)我們要用IOPS來衡量一個(gè)IO系統(tǒng)的系能的時(shí)候我們一定要說清楚是在什么情況的IOPS，也就是要說明讀寫的方式以及單次IO的大小，當(dāng)然在實(shí)際當(dāng)中，特別是在OLTP的系統(tǒng)的，隨機(jī)的小IO的讀寫是最有說服力的。
傳輸速度(Transfer Rate)/吞吐率(Throughput)
現(xiàn)在我們要說的傳輸速度(另一個(gè)常見的說法是吞吐率)不是磁盤上所表明的最大傳輸速度或者說理想傳輸速度，而是磁盤在實(shí)際使用的時(shí)候從磁盤系統(tǒng)總線上流過的數(shù)據(jù)量。有了IOPS數(shù)據(jù)之后我們是很容易就能計(jì)算出對應(yīng)的傳輸速度來的
Transfer Rate = IOPS * IO Chunk Size
還是那上面的第一組IOPS的數(shù)據(jù)我們可以得出相應(yīng)的傳輸速度如下
4K: 140 * 4K = 560K / 40M = 1.36%
8K: 139 * 8K = 1112K / 40M = 2.71%
16K: 135 * 16K = 2160K / 40M = 5.27%
32K: 116 * 32K = 3712K / 40M = 9.06%
可以看出實(shí)際上的傳輸速度是很小的，對總線的利用率也是非常的小。
這里一定要明確一個(gè)概念，那就是盡管上面我們使用IOPS來計(jì)算傳輸速度，但是實(shí)際上傳輸速度和IOPS是沒有直接關(guān)系，在沒有緩存的情況下它們共同的決定因素都是對磁盤系統(tǒng)的訪問方式以及單個(gè)IO的大小。對磁盤進(jìn)行隨機(jī)訪問時(shí)候我們可以利用IOPS來衡量一個(gè)磁盤系統(tǒng)的性能，此時(shí)的傳輸速度不會太大;但是當(dāng)對磁盤進(jìn)行連續(xù)訪問時(shí)，此時(shí)的IOPS已經(jīng)沒有了參考的價(jià)值，這個(gè)時(shí)候限制實(shí)際傳輸速度卻是磁盤的最大傳輸速度。因此在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，只會用IOPS來衡量小IO的隨機(jī)讀寫的性能，而當(dāng)要衡量大IO連續(xù)讀寫的性能的時(shí)候就要采用傳輸速度而不能是IOPS了。
IO響應(yīng)時(shí)間(IO Response Time)
最后來關(guān)注一下能直接描述IO性能的IO響應(yīng)時(shí)間。IO響應(yīng)時(shí)間也被稱為IO延時(shí)(IO Latency)，IO響應(yīng)時(shí)間就是從操作系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)出的一個(gè)讀或者寫的IO命令到操作系統(tǒng)內(nèi)核接收到IO回應(yīng)的時(shí)間，注意不要和單個(gè)IO時(shí)間混淆了，單個(gè)IO時(shí)間僅僅指的是IO操作在磁盤內(nèi)部處理的時(shí)間，而IO響應(yīng)時(shí)間還要包括IO操作在IO等待隊(duì)列中所花費(fèi)的等待時(shí)間。
計(jì)算IO操作在等待隊(duì)列里面消耗的時(shí)間有一個(gè)衍生于利托氏定理(Little’s Law)的排隊(duì)模型M/M/1模型可以遵循，由于排隊(duì)模型算法比較復(fù)雜，到現(xiàn)在還沒有搞太明白(如果有誰對M/M/1模型比較精通的話歡迎給予指導(dǎo))，這里就羅列一下最后的結(jié)果，還是那上面計(jì)算的IOPS數(shù)據(jù)來說：
8K IO Chunk Size (135 IOPS, 7.2 ms)
135 => 240.0 ms
105 => 29.5 ms
75 => 15.7 ms
45 => 10.6 ms
64K IO Chunk Size(116 IOPS, 8.6 ms)
135 => 沒響應(yīng)了……
105 => 88.6 ms
75 => 24.6 ms
45 => 14.6 ms
從上面的數(shù)據(jù)可以看出，隨著系統(tǒng)實(shí)際IOPS越接近理論的最大值，IO的響應(yīng)時(shí)間會成非線性的增長，越是接近最大值，響應(yīng)時(shí)間就變得越大，而且會比預(yù)期超出很多。一般來說在實(shí)際的應(yīng)用中有一個(gè)70%的指導(dǎo)值，也就是說在IO讀寫的隊(duì)列中，當(dāng)隊(duì)列大小小于最大IOPS的70%的時(shí)候，IO的響應(yīng)時(shí)間增加會很小，相對來說讓人比較能接受的，一旦超過70%，響應(yīng)時(shí)間就會戲劇性的暴增，所以當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的IO壓力超出最大可承受壓力的70%的時(shí)候就是必須要考慮調(diào)整或升級了。
另外補(bǔ)充說一下這個(gè)70%的指導(dǎo)值也適用于CPU響應(yīng)時(shí)間，這也是在實(shí)踐中證明過的，一旦CPU超過70%，系統(tǒng)將會變得受不了的慢。很有意思的東西。
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