緩存和RAID如何提高IO

從上一篇文章：IO系統(tǒng)性能之一：衡量性能的幾個指標的計算中我們可以看到一個15k轉(zhuǎn)速的磁盤在隨機讀寫訪問的情況下IOPS竟然只有140左右，但在實際應用中我們卻能看到很多標有5000IOPS甚至更高的存儲系統(tǒng)，有這么大IOPS的存儲系統(tǒng)怎么來的呢?這就要歸結(jié)于各種存儲技術的使用了，在這些存儲技術中使用最廣的就是高速緩存(Cache)和磁盤冗余陣列(RAID)了，本文就將探討緩存和磁盤陣列提高存儲IO性能的方法。

　　高速緩存(Cache)

　　在當下的各種存儲產(chǎn)品中，按照速度從快到慢應該就是內(nèi)存>閃存>磁盤>磁帶了，然而速度越快也就意味著價格越高，閃存雖然說是發(fā)展勢頭很好，但目前來說卻還是因為價格問題無法普及，因此現(xiàn)在還是一個磁盤作霸王的時代。與CPU和內(nèi)存速度相比，磁盤的速度無疑是計算機系統(tǒng)中最大的瓶頸了，所以在必須使用磁盤而又想提高性能的情況下，人們想出了在磁盤中嵌入一塊高速的內(nèi)存用來保存經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)從而提高讀寫效率的方法來折中的解決，這塊嵌入的內(nèi)存就被稱為高速緩存。

　　說到緩存，這東西應用現(xiàn)在已經(jīng)是無處不在，從處于上層的應用，到操作系統(tǒng)層，再到磁盤控制器，還有CPU內(nèi)部，單個磁盤的內(nèi)部也都存在緩存，所有這些緩存存在的目的都是相同的，就是提高系統(tǒng)執(zhí)行的效率。

　　當然在這里我們只關心跟IO性能相關的緩存，與IO性能直接相關的幾個緩存分別是文件系統(tǒng)緩存(File System Cache)、磁盤控制器緩存(Disk Controller Cache)和磁盤緩存(Disk Cache,也稱為Disk Buffer)，不過當在計算一個磁盤系統(tǒng)性能的時候文件系統(tǒng)緩存也是不會考慮在內(nèi)的，因此我們重點考察的就是磁盤控制器緩存和磁盤緩存。

　　不管是控制器緩存還是磁盤緩存，他們所起的作用主要是分為三部分：緩存數(shù)據(jù)、預讀(Read-ahead)和回寫(Write-back)。

　　緩存數(shù)據(jù)

　　首先是系統(tǒng)讀取過的數(shù)據(jù)會被緩存在高速緩存中，這樣下次再次需要讀取相同的數(shù)據(jù)的時候就不用在訪問磁盤，直接從緩存中取數(shù)據(jù)就可以了。當然使用過的數(shù)據(jù)也不可能在緩存中永久保留的，緩存的數(shù)據(jù)一般那是采取LRU算法來進行管理，目的是將長時間不用的數(shù)據(jù)清除出緩存，那些經(jīng)常被訪問的卻能一直保留在緩存中，直到緩存被清空。

　　預讀

　　預讀是指采用預讀算法在沒有系統(tǒng)的IO請求的時候事先將數(shù)據(jù)從磁盤中讀入到緩存中，然后在系統(tǒng)發(fā)出讀IO請求的時候，就會實現(xiàn)去檢查看看緩存里面是否存在要讀取的數(shù)據(jù)，如果存在(即命中)的話就直接將結(jié)果返回，這時候的磁盤不再需要尋址、旋轉(zhuǎn)等待、讀取數(shù)據(jù)這一序列的操作了，這樣是能節(jié)省很多時間的;如果沒有命中則再發(fā)出真正的讀取磁盤的命令去取所需要的數(shù)據(jù)。

　　緩存的命中率跟緩存的大小有很大的關系，理論上是緩存越大的話，所能緩存的數(shù)據(jù)也就越多，這樣命中率也自然越高，當然緩存不可能太大，畢竟成本在那兒呢。如果一個容量很大的存儲系統(tǒng)配備了一個很小的讀緩存的話，這時候問題會比較大的，因為小緩存緩存的數(shù)據(jù)量非常小，相比整個存儲系統(tǒng)來說比例非常低，這樣隨機讀取(數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的大多數(shù)情況)的時候命中率也自然就很低，這樣的緩存不但不能提高效率(因為絕大部分讀IO都還要讀取磁盤)，反而會因為每次去匹配緩存而浪費時間。

　　執(zhí)行讀IO操作是讀取數(shù)據(jù)存在于緩存中的數(shù)量與全部要讀取數(shù)據(jù)的比值稱為緩存命中率(Read Cache Hit Radio)，假設一個存儲系統(tǒng)在不使用緩存的情況下隨機小IO讀取能達到150IOPS，而它的緩存能提供10%的緩存命中率的話，那么實際上它的IOPS可以達到150/(1-10%)=166。

　　回寫

　　首先說一下，用于回寫功能的那部分緩存被稱為寫緩存(Write Cache)。在一套寫緩存打開的存儲中，操作系統(tǒng)所發(fā)出的一系列寫IO命令并不會被挨個的執(zhí)行，這些寫IO的命令會先寫入緩存中，然后再一次性的將緩存中的修改推到磁盤中，這就相當于將那些相同的多個IO合并成一個，多個連續(xù)操作的小IO合并成一個大的IO，還有就是將多個隨機的寫IO變成一組連續(xù)的寫IO，這樣就能減少磁盤尋址等操作所消耗的時間，大大的提高磁盤寫入的效率。

　　讀緩存雖然對效率提高是很明顯的，但是它所帶來的問題也比較嚴重，因為緩存和普通內(nèi)存一樣，掉點以后數(shù)據(jù)會全部丟失，當操作系統(tǒng)發(fā)出的寫IO命令寫入到緩存中后即被認為是寫入成功，而實際上數(shù)據(jù)是沒有被真正寫入磁盤的，此時如果掉電，緩存中的數(shù)據(jù)就會永遠的丟失了，這個對應用來說是災難性的，目前解決這個問題最好的方法就是給緩存配備電池了，保證存儲掉電之后緩存數(shù)據(jù)能如數(shù)保存下來。

　　和讀一樣，寫緩存也存在一個寫緩存命中率(Write Cache Hit Radio)，不過和讀緩存命中情況不一樣的是，盡管緩存命中，也不能將實際的IO操作免掉，只是被合并了而已。

　　控制器緩存和磁盤緩存除了上面的作用之外還承當著其他的作用，比如磁盤緩存有保存IO命令隊列的功能，單個的磁盤一次只能處理一個IO命令，但卻能接收多個IO命令，這些進入到磁盤而未被處理的命令就保存在緩存中的IO隊列中。

　　RAID(Redundant Array Of Inexpensive Disks)

　　如果你是一位數(shù)據(jù)庫管理員或者經(jīng)常接觸服務器，那對RAID應該很熟悉了，作為最廉價的存儲解決方案，RAID早已在服務器存儲中得到了普及。在RAID的各個級別中，應當以RAID10和RAID5(不過RAID5已經(jīng)基本走到頭了，RAID6正在崛起中，看看這里了解下原因)應用最廣了。下面將就RAID0，RAID1，RAID5，RAID6，RAID10這幾種級別的RAID展開說一下磁盤陣列對于磁盤性能的影響，當然在閱讀下面的內(nèi)容之前你必須對各個級別的RAID的結(jié)構(gòu)和工作原理要熟悉才行，這樣才不至于滿頭霧水，推薦查看wikipedia上面的如下條目：RAID，Standard RAID levels，Nested RAID levels。

　　RAID0

　　RAID0將數(shù)據(jù)條帶化(striping)將連續(xù)的數(shù)據(jù)分散在多個磁盤上進行存取，系統(tǒng)發(fā)出的IO命令(不管讀IO和寫IO都一樣)就可以在磁盤上被并行的執(zhí)行，每個磁盤單獨執(zhí)行自己的那一部分請求，這樣的并行的IO操作能大大的增強整個存儲系統(tǒng)的性能。假設一個RAID0陣列有n(n>=2)個磁盤組成，每個磁盤的隨機讀寫的IO能力都達到140的話，那么整個磁盤陣列的IO能力將是140*n。同時如果在陣列總線的傳輸能力允許的話RAID0的吞吐率也將是單個磁盤的n倍。