從上一篇文章：IO" title="IO">IO系統性能之一：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，有這么大IOPS的存儲系統怎么來的呢?這就要歸結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" title="RAID">RAID)了，本文就將探討緩存和磁盤陣列提高" title="提高">提高存儲IO性能的方法。
高速緩存(Cache)
在當下的各種存儲產品中，按照速度從快到慢應該就是內存>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，因此現在還是一個磁盤作霸王的時代。與CPU和內存速度相比，磁盤的速度無疑是計算機系統中最大的瓶頸了，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存用來保存經常訪問的數據從而提高讀寫效率的方法來折中的解決，這塊嵌入的內存就被稱為高速緩存。
說到緩存，這東西應用現在已經是無處不在，從處于上層的應用，到操作系統層，再到磁盤控制器，還有CPU內部，單個磁盤的內部也都存在緩存，所有這些緩存存在的目的都是相同的，就是提高系統執行的效率。
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性能的時候文件系統緩存也是不會考慮在內的，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：緩存數據、預讀(Read-ahead)和回寫(Write-back)。
緩存數據
首先是系統讀取過的數據會被緩存在高速緩存中，這樣下次再次需要讀取相同的數據的時候就不用在訪問磁盤，直接從緩存中取數據就可以了。當然使用過的數據也不可能在緩存中永久保留的，緩存的數據一般那是采取LRU算法來進行管理，目的是將長時間不用的數據清除出緩存，那些經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的IO請求的時候事先將數據從磁盤中讀入到緩存中，然后在系統發出讀IO請求的時候，就會實現去檢查看看緩存里面是否存在要讀取的數據，如果存在(即命中)的話就直接將結果返回，這時候的磁盤不再需要尋址、旋轉等待、讀取數據這一序列的操作了，這樣是能節省很多時間的;如果沒有命中則再發出真正的讀取磁盤的命令去取所需要的數據。
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，所能緩存的數據也就越多，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據量非常小，相比整個存儲系統來說比例非常低，這樣隨機讀取(數據庫系統的大多數情況)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。
執行讀IO操作是讀取數據存在于緩存中的數量與全部要讀取數據的比值稱為緩存命中率(Read Cache Hit Radio)，假設一個存儲系統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，操作系統所發出的一系列寫IO命令并不會被挨個的執行，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，因為緩存和普通內存一樣，掉點以后數據會全部丟失，當操作系統發出的寫IO命令寫入到緩存中后即被認為是寫入成功，而實際上數據是沒有被真正寫入磁盤的，此時如果掉電，緩存中的數據就會永遠的丟失了，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據能如數保存下來。
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)
如果你是一位數據庫管理員或者經常接觸服務器，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容之前你必須對各個級別的RAID的結構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將數據條帶化(striping)將連續的數據分散在多個磁盤上進行存取，系統發出的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行，每個磁盤單獨執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。
從上一篇文章：IO系統性能之一：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，有這么大IOPS的存儲系統怎么來的呢?這就要歸結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品中，按照速度從快到慢應該就是內存>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，因此現在還是一個磁盤作霸王的時代。與CPU和內存速度相比，磁盤的速度無疑是計算機系統中最大的瓶頸了，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存用來保存經常訪問的數據從而提高讀寫效率的方法來折中的解決，這塊嵌入的內存就被稱為高速緩存。
說到緩存，這東西應用現在已經是無處不在，從處于上層的應用，到操作系統層，再到磁盤控制器，還有CPU內部，單個磁盤的內部也都存在緩存，所有這些緩存存在的目的都是相同的，就是提高系統執行的效率。
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性能的時候文件系統緩存也是不會考慮在內的，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：緩存數據、預讀(Read-ahead)和回寫(Write-back)。
緩存數據
首先是系統讀取過的數據會被緩存在高速緩存中，這樣下次再次需要讀取相同的數據的時候就不用在訪問磁盤，直接從緩存中取數據就可以了。當然使用過的數據也不可能在緩存中永久保留的，緩存的數據一般那是采取LRU算法來進行管理，目的是將長時間不用的數據清除出緩存，那些經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的IO請求的時候事先將數據從磁盤中讀入到緩存中，然后在系統發出讀IO請求的時候，就會實現去檢查看看緩存里面是否存在要讀取的數據，如果存在(即命中)的話就直接將結果返回，這時候的磁盤不再需要尋址、旋轉等待、讀取數據這一序列的操作了，這樣是能節省很多時間的;如果沒有命中則再發出真正的讀取磁盤的命令去取所需要的數據。
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，所能緩存的數據也就越多，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據量非常小，相比整個存儲系統來說比例非常低，這樣隨機讀取(數據庫系統的大多數情況)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。
執行讀IO操作是讀取數據存在于緩存中的數量與全部要讀取數據的比值稱為緩存命中率(Read Cache Hit Radio)，假設一個存儲系統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，操作系統所發出的一系列寫IO命令并不會被挨個的執行，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，因為緩存和普通內存一樣，掉點以后數據會全部丟失，當操作系統發出的寫IO命令寫入到緩存中后即被認為是寫入成功，而實際上數據是沒有被真正寫入磁盤的，此時如果掉電，緩存中的數據就會永遠的丟失了，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據能如數保存下來。
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)
如果你是一位數據庫管理員或者經常接觸服務器，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容之前你必須對各個級別的RAID的結構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將數據條帶化(striping)將連續的數據分散在多個磁盤上進行存取，系統發出的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行，每個磁盤單獨執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。