作為一個數(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)，直接研究一個單獨的磁盤的性能問題，藉此了解各個衡量IO系統(tǒng)系能的各個指標(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操作的時候，就會存在兩種相對應(yīng)的操作，存數(shù)據(jù)時候?qū)?yīng)的是寫IO操作，取數(shù)據(jù)的時候?qū)?yīng)的是是讀IO操作。

　　單個IO操作

　　當(dāng)控制磁盤的控制器接到操作系統(tǒng)的讀IO操作指令的時候，控制器就會給磁盤發(fā)出一個讀數(shù)據(jù)的指令，并同時將要讀取的數(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)，完成一個寫IO的操作;同樣的，一個寫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)，完成一個寫IO的操作。單個IO操作指的就是完成一個寫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IO命令時稱為順序IO;當(dāng)磁盤組能同時執(zhí)行多個IO命令時，稱為并發(fā)IO。并發(fā)IO只能發(fā)生在由多個磁盤組成的磁盤組上，單塊磁盤只能一次處理一個IO命令。

　　第2頁：單個IO的大小(IO Chunk Size)

　　單個IO的大小(IO Chunk Size)

　　熟悉數(shù)據(jù)庫的人都會有這么一個概念，那就是數(shù)據(jù)庫存儲有個基本的塊大小(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層面會是怎么樣的呢，就是對于讀寫磁盤來說單個IO操作操作數(shù)據(jù)的大小是多少呢，是不是也是一個固定的值?

　　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8K數(shù)據(jù)塊的讀操作有可能放在一個磁盤讀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操作系統(tǒng)的 IO請求合并成一個來處理。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，提高數(shù)據(jù)讀寫的效率。因此每次單獨的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)的時候通常我們會接觸到多個類似的概念，像我們上面提到的那個在數(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。

　　第3頁：IOPS(IO per Second)

　　IOPS(IO per Second)

　　IOPS，IO系統(tǒng)每秒所執(zhí)行IO操作的次數(shù)，是一個重要的用來衡量系統(tǒng)IO能力的一個參數(shù)。對于單個磁盤組成的IO系統(tǒng)來說，計算它的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，平均尋道時間為5ms，最大傳輸速率為40MB/s(這里將讀寫速度視為一樣，實際會差別比較大)。

　　對于磁盤來說一個完整的IO操作是這樣進(jìn)行的：當(dāng)控制器對磁盤發(fā)出一個IO操作命令的時候，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，這個過程被稱為尋址(Seeking)，對應(yīng)消耗的時間被稱為尋址時間(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)，在這個等待盤片旋轉(zhuǎn)到可操作扇區(qū)的過程中消耗的時間稱為旋轉(zhuǎn)延時(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)，這個過程稱為數(shù)據(jù)傳送(Data Transfer)，對應(yīng)的時間稱為傳送時間(Transfer Time)。完成這三個步驟之后一次IO操作也就完成了。

　　在我們看硬盤廠商的宣傳單的時候我們經(jīng)常能看到3個參數(shù)，分別是平均尋址時間、盤片旋轉(zhuǎn)速度以及最大傳送速度，這三個參數(shù)就可以提供給我們計算上述三個步驟的時間。

　　第一個尋址時間，考慮到被讀寫的數(shù)據(jù)可能在磁盤的任意一個磁道，既有可能在磁盤的最內(nèi)圈(尋址時間最短)，也可能在磁盤的最外圈(尋址時間最長)，所以在計算中我們只考慮平均尋址時間，也就是磁盤參數(shù)中標(biāo)明的那個平均尋址時間，這里就采用當(dāng)前最多的10krmp硬盤的5ms。

　　第二個旋轉(zhuǎn)延時，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，這時候是不需要額外額延時就可以立刻讀寫到數(shù)據(jù)，但是最壞的情況確實要磁盤旋轉(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，對于10krpm的磁盤就是(60s/15k)*(1/2) = 2ms。

　　第三個傳送時間，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多少時間在數(shù)據(jù)傳送上，這個時間就是IO Chunk Size / Max Transfer Rate。

　　第4頁：IOPS計算公式