IO系統(tǒng)性能之一衡量性能的幾個(gè)指標(biāo)

1、IO系統(tǒng)性能之一：衡量性能的幾個(gè)指標(biāo)2011年03月24日05:00 it168網(wǎng)站原創(chuàng)作者：DBABeta馬齒范編輯：李雋 我要評(píng)論(0) 【IT168應(yīng)用】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(duì)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(chǔ)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(duì)磁盤存儲(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)，直接研究一個(gè)單獨(dú)的磁盤的性能問題，

2、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)詞條一一Hard diskdrive(英文)和硬盤驅(qū)動(dòng)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(huì)存在兩種相對(duì)應(yīng)的操作，存數(shù)據(jù)時(shí)彳對(duì)應(yīng)的是寫IO操作，取數(shù)據(jù)的時(shí)彳對(duì)應(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

3、，控制器就會(huì)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(huì)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再連續(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

4、較大的移動(dòng)動(dòng)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(huì)一次對(duì)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)

5、IO命令。單個(gè)IO的大小(IO Chunk Size)熟悉數(shù)據(jù)庫的人都會(huì)有這么一個(gè)概念，那就是數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)有個(gè)基本的塊大小(Block Size),不管是SQL Server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(duì)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(huì)是怎么樣的呢，就是對(duì)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 SystemCache）,系統(tǒng)會(huì)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，

6、也就是說對(duì)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(duì)于有些存儲(chǔ)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(huì)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(duì)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)彳g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?。˙lock Size腫時(shí)候通常我們會(huì)

7、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, SQLServer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(huì)說成是IO Block Size的。IOPS（IO per Second）IOPS, I

8、O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(duì)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?，F(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(huì)差別比較大）。對(duì)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(duì)磁盤發(fā)出一個(gè)IO操作命令的時(shí)候，磁盤的驅(qū)動(dòng)臂 （Actuator Arm）帶讀寫磁頭（Head）離開著陸區(qū)（Landing Zo

9、ne,位于內(nèi)圈 沒有數(shù)據(jù)的區(qū)域），移動(dòng)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(duì)應(yīng)消耗的時(shí)間被稱為尋址時(shí)間（Seek Time）;但是找到對(duì)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(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為

10、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傳單白時(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

11、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(duì)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/Rotationa

12、l Speed/2 + IO Chunk Size/Transfer Rate 于是我們可以這樣計(jì)算出IOPSIOPS = 1/IO Time = 1/(Seek Time + 60 sec/Rotational Speed/2 + IO Chunk Size/Transfer Rate) 對(duì)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 = 7.18k (1/7.2 ms = 139 IOPS)5ms + (60sec/15000RPM/2) +

13、 8K/40MB = 5 + 2 + 0.2 = 7.216K (1/7.4 ms = 135 IOPS)5ms + (60sec/15000RPM/2) + 16K/40MB = 5 + 2 + 0.4 = 7.432K (1/7.8 ms = 128 IOPS)5ms + (60sec/15000RPM/2) + 32K/40MB = 5 + 2 + 0.8 = 7.864K (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

14、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?，F(xiàn)在我們考慮一種相對(duì)極端的順序讀寫操作，比如說在讀取一個(gè)很大的存儲(chǔ)連續(xù)分布在磁盤的的文件，因?yàn)槲募拇鎯?chǔ)的分布是連續(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 +

15、 0ms + 4K/40MB = 0.18k (1/0.2 ms = 5000 IOPS)0ms + 0ms + 8K/40MB = 0.216K (1/0.4 ms = 2500 IOPS)0ms + 0ms + 16K/40MB = 0.432K (1/0.8 ms = 1250 IOPS)0ms + 0ms + 32K/40MB = 0.864K (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

16、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(duì)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: 13

17、9 * 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(duì)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(duì)磁盤 系統(tǒng)的訪問方式以及單個(gè)IO的大小。對(duì)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(huì)太大；但是當(dāng)對(duì)磁盤進(jìn)行連續(xù)訪問時(shí)，此時(shí)的 IOPS已經(jīng)沒

18、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(huì)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)(IOLatency), 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