從0到1：Linux磁盤(pán)I/O性能優(yōu)化
在Linux 系統(tǒng)的廣袤世界里，磁盤(pán) I/O 性能猶如隱藏在幕后卻掌控全局的關(guān)鍵角色，對(duì)系統(tǒng)整體性能有著舉足輕重的影響。想象一下，你正在使用一個(gè)基于 Linux 系統(tǒng)搭建的網(wǎng)站服務(wù)器，用戶點(diǎn)擊頁(yè)面后，需要從磁盤(pán)中讀取網(wǎng)頁(yè)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)等信息來(lái)呈現(xiàn)頁(yè)面內(nèi)容。如果磁盤(pán) I/O 性能不佳，數(shù)據(jù)讀取緩慢，那么用戶可能需要長(zhǎng)時(shí)間等待頁(yè)面加載，這不僅會(huì)嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)，還可能導(dǎo)致用戶流失，對(duì)業(yè)務(wù)造成損失。再比如在數(shù)據(jù)分析場(chǎng)景中，數(shù)據(jù)科學(xué)家需要處理大量存儲(chǔ)在磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)，若磁盤(pán) I/O 性能不給力，數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入時(shí)間大幅增加，會(huì)極大地延長(zhǎng)數(shù)據(jù)分析周期，使得分析結(jié)果無(wú)法及時(shí)產(chǎn)出，影響決策效率。
當(dāng)磁盤(pán) I/O 性能不佳時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列令人頭疼的問(wèn)題。系統(tǒng)響應(yīng)變得遲緩，程序啟動(dòng)時(shí)間大幅延長(zhǎng)，文件復(fù)制、解壓等操作耗時(shí)漫長(zhǎng)。在服務(wù)器環(huán)境中，還可能導(dǎo)致多個(gè)進(jìn)程因?yàn)榈却疟P(pán) I/O 操作完成而處于阻塞狀態(tài)，使得 CPU 資源閑置，系統(tǒng)整體吞吐量下降，就像一條交通要道上，車(chē)輛都堵在收費(fèi)站等待繳費(fèi)（磁盤(pán) I/O 操作），導(dǎo)致道路（系統(tǒng)）擁堵，通行效率（性能）降低 。正是因?yàn)榇疟P(pán) I/O 性能如此重要，且性能不佳會(huì)帶來(lái)諸多嚴(yán)重后果，所以深入了解并優(yōu)化 Linux 磁盤(pán) I/O 性能顯得尤為迫切，接下來(lái)，讓我們一起揭開(kāi)磁盤(pán) I/O 性能優(yōu)化的神秘面紗，從原理到實(shí)戰(zhàn)，逐步探索其中的奧秘。
Part1.Linux磁盤(pán)I/O工作原理
1.1 磁盤(pán)的分類(lèi)與特點(diǎn)
在 Linux 系統(tǒng)中，磁盤(pán)主要分為機(jī)械磁盤(pán)（Hard Disk Drive，HDD）和固態(tài)磁盤(pán)（Solid State Disk，SSD） ，它們就像兩個(gè)性格迥異的 “存儲(chǔ)伙伴”，各自有著獨(dú)特的工作原理和性能特點(diǎn)。
機(jī)械磁盤(pán)的工作原理頗具 “機(jī)械感”，它主要由盤(pán)片、讀寫(xiě)磁頭、馬達(dá)等機(jī)械部件組成。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速旋轉(zhuǎn)的盤(pán)片的環(huán)狀磁道上，當(dāng)需要讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，讀寫(xiě)磁頭就像一個(gè)忙碌的 “快遞員”，在盤(pán)片表面移動(dòng)，通過(guò)改變磁性來(lái)記錄或讀取數(shù)據(jù) 。不過(guò)這個(gè) “快遞員” 的效率會(huì)受到盤(pán)片轉(zhuǎn)速和磁頭移動(dòng)速度的限制，就像在城市中開(kāi)車(chē)送快遞，道路擁堵（機(jī)械部件的物理限制）會(huì)影響送達(dá)速度。例如，普通機(jī)械硬盤(pán)的盤(pán)片轉(zhuǎn)速常見(jiàn)的有 5400 轉(zhuǎn) / 分鐘和 7200 轉(zhuǎn) / 分鐘，在讀寫(xiě)零散小文件時(shí)，由于文件所在扇區(qū)不連續(xù)，磁頭需要不斷尋道，導(dǎo)致讀寫(xiě)速度很慢，一般順序讀寫(xiě)速度在 100 - 200MB/s 左右，隨機(jī)讀寫(xiě)速度則更低，可能只有幾十 KB/s 。
固態(tài)磁盤(pán)則是依靠閃存芯片（NAND Flash）來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它的工作方式更加 “電子化”，就像一個(gè)反應(yīng)敏捷的 “電子精靈”，通過(guò)電子信號(hào)快速讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，沒(méi)有那些慢悠悠的機(jī)械部件 。這使得固態(tài)硬盤(pán)的讀寫(xiě)速度極快，順序讀寫(xiě)速度可達(dá) 3000MB/s 以上（如 NVMe SSD），隨機(jī)讀寫(xiě)速度也遠(yuǎn)超機(jī)械硬盤(pán)，能夠在幾秒鐘內(nèi)啟動(dòng)操作系統(tǒng)，快速加載應(yīng)用程序和文件 。而且它抗震性強(qiáng)、無(wú)機(jī)械延遲、噪音小、功耗低，非常適合對(duì)速度和響應(yīng)要求高的場(chǎng)景，如游戲主機(jī)、高性能臺(tái)式機(jī)等 。不過(guò)，固態(tài)硬盤(pán)的閃存芯片有寫(xiě)入次數(shù)限制（P/E 周期），頻繁寫(xiě)入可能會(huì)導(dǎo)致芯片老化，影響使用壽命，并且單位容量?jī)r(jià)格相對(duì)較高 。
對(duì)于連續(xù) I/O 和隨機(jī) I/O，不同磁盤(pán)有著不同的表現(xiàn)。連續(xù) I/O 時(shí)，數(shù)據(jù)在磁盤(pán)上是連續(xù)存儲(chǔ)的，就像圖書(shū)館里同一類(lèi)書(shū)籍整齊排列在書(shū)架上。機(jī)械磁盤(pán)不需要頻繁尋道，所以連續(xù)讀寫(xiě)能力并不差，甚至在單碟容量提升和組建磁盤(pán)陣列的情況下，連續(xù)讀寫(xiě)速度可以比固態(tài)硬盤(pán)更快；而固態(tài)硬盤(pán)在連續(xù) I/O 時(shí)更是發(fā)揮其高速讀寫(xiě)的優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)傳輸流暢迅速 。在隨機(jī) I/O 場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置零散，如同圖書(shū)館里的書(shū)籍被打亂放置。機(jī)械磁盤(pán)需要不停地移動(dòng)磁頭來(lái)定位數(shù)據(jù)，尋道時(shí)間長(zhǎng)，性能受到很大影響；固態(tài)硬盤(pán)雖然隨機(jī)性能比機(jī)械硬盤(pán)好很多，但由于存在 “先擦除再寫(xiě)入” 的限制，隨機(jī)讀寫(xiě)會(huì)導(dǎo)致大量的垃圾回收，所以隨機(jī) I/O 性能相比連續(xù) I/O 還是差一些，不過(guò)依然比機(jī)械磁盤(pán)強(qiáng)很多 。
1.2 文件系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制
文件系統(tǒng)是 Linux 系統(tǒng)中管理文件的重要部分，就像一個(gè)有序的圖書(shū)館管理員，負(fù)責(zé)整理和保管文件，而索引節(jié)點(diǎn)和目錄項(xiàng)則是它管理文件的重要工具。
索引節(jié)點(diǎn)（inode），可以看作是文件的 “身份證”，記錄了文件的元數(shù)據(jù)，如文件大小、訪問(wèn)權(quán)限、修改日期、數(shù)據(jù)的位置等 。每個(gè)文件都有唯一對(duì)應(yīng)的 inode，它和文件內(nèi)容一樣，會(huì)被持久化存儲(chǔ)到磁盤(pán)中，所以 inode 也占用磁盤(pán)空間 。例如，當(dāng)我們?cè)?Linux 系統(tǒng)中查看一個(gè)文件的屬性時(shí)，顯示的文件大小、所有者、權(quán)限等信息就來(lái)自于 inode 。
目錄項(xiàng)（dentry），則像是文件的 “名片”，記錄了文件的名字、索引節(jié)點(diǎn)指針以及與其他目錄項(xiàng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系 。多個(gè)關(guān)聯(lián)的目錄項(xiàng)構(gòu)成了文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu) 。它是由內(nèi)核維護(hù)的一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也被叫做目錄項(xiàng)緩存 。比如我們?cè)谖募芾砥髦锌吹降奈募臀募A名稱(chēng)，這些都是目錄項(xiàng)的體現(xiàn)，通過(guò)目錄項(xiàng)，我們可以快速找到對(duì)應(yīng)的 inode，進(jìn)而訪問(wèn)文件 。 目錄項(xiàng)和索引節(jié)點(diǎn)是多對(duì)一的關(guān)系，這意味著一個(gè)文件可以有多個(gè)別名，就像一個(gè)人可以有多個(gè)昵稱(chēng)，比如軟鏈接文件，就是多了一個(gè)指向相同 inode 的目錄項(xiàng) 。
虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System，VFS）是 Linux 內(nèi)核中一個(gè)非常重要的抽象層，它就像一個(gè)萬(wàn)能的翻譯官，為各種不同的文件系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的接口 。由于 Linux 系統(tǒng)支持多種文件系統(tǒng)，如 EXT4、XFS、Btrfs 等，每種文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)都不同，如果沒(méi)有 VFS，應(yīng)用程序和內(nèi)核就需要針對(duì)不同的文件系統(tǒng)編寫(xiě)不同的代碼，這無(wú)疑會(huì)大大增加開(kāi)發(fā)和維護(hù)的難度 。
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有了 VFS，它定義了一組所有文件系統(tǒng)都支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)接口，用戶進(jìn)程和內(nèi)核中的其他子系統(tǒng)只需要跟 VFS 提供的統(tǒng)一接口進(jìn)行交互，而不需要關(guān)心底層各種文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) 。例如，當(dāng)我們使用 “open”“read”“write” 等系統(tǒng)調(diào)用操作文件時(shí)，實(shí)際上是通過(guò) VFS 這個(gè)翻譯官，將這些操作轉(zhuǎn)發(fā)到底層具體的文件系統(tǒng)去執(zhí)行 。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，VFS 會(huì)被建立，在內(nèi)存中構(gòu)建起文件系統(tǒng)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，管理著各種文件系統(tǒng)的掛載點(diǎn)、inode 等信息，直到系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)才會(huì)消亡 。
通過(guò)這張圖可以看到，在 VFS 的下方，Linux 支持各種各樣的文件系統(tǒng)，如 Ext4、XFS、NFS 等等。按照存儲(chǔ)位置的不同，這些文件系統(tǒng)可以分為三類(lèi)。
- 第一類(lèi)是基于磁盤(pán)的文件系統(tǒng)，也就是把數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)本地掛載的磁盤(pán)中。常見(jiàn)的 Ext4、XFS、OverlayFS等，都是這類(lèi)文件系統(tǒng)。
- 第二類(lèi)是基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，也就是我們常說(shuō)的虛擬文件系統(tǒng)。這類(lèi)文件系統(tǒng)，不需要任何磁盤(pán)分配存儲(chǔ)空間，但會(huì)占用內(nèi)存。我們經(jīng)常用到的 /proc就是一種最常見(jiàn)的虛擬文件系統(tǒng)。
- 第三類(lèi)是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，也就是用來(lái)訪問(wèn)其他計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)，比如 NFS、SMB、iSCSI 等。
這些文件系統(tǒng)，要先掛載到 VFS 目錄樹(shù)中的某個(gè)子目錄（稱(chēng)為掛載點(diǎn)），然后才能訪問(wèn)其中的文件。拿第一類(lèi)，也就是基于磁盤(pán)的文件系統(tǒng)為例，在安裝系統(tǒng)時(shí)，要先掛載一個(gè)根目錄（/），在根目錄下再把其他文件系統(tǒng)（比如其他的磁盤(pán)分區(qū)、/proc 文件系統(tǒng)、/sys 文件系統(tǒng)、NFS 等）掛載進(jìn)來(lái)。
1.3 I/O 操作的流程剖析
當(dāng)應(yīng)用程序進(jìn)行 I/O 操作時(shí)，數(shù)據(jù)就像一個(gè)忙碌的 “旅行者”，在應(yīng)用程序、緩存、文件系統(tǒng)和磁盤(pán)之間進(jìn)行復(fù)雜的傳輸過(guò)程。
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以讀取文件為例，應(yīng)用程序發(fā)起讀取文件的請(qǐng)求，這個(gè)請(qǐng)求首先會(huì)到達(dá)內(nèi)核空間 。內(nèi)核會(huì)先檢查頁(yè)緩存（Page Cache），頁(yè)緩存就像一個(gè)高速的臨時(shí)倉(cāng)庫(kù)，存儲(chǔ)著最近訪問(wèn)過(guò)的文件片段，這些片段更有可能在近期再次被訪問(wèn) 。如果所需數(shù)據(jù)已經(jīng)在頁(yè)緩存中，那就如同在自家附近的小倉(cāng)庫(kù)中找到了需要的物品，直接從頁(yè)緩存中將數(shù)據(jù)復(fù)制到應(yīng)用程序的內(nèi)存空間中，這個(gè)過(guò)程非常迅速，不需要訪問(wèn)慢速的磁盤(pán) 。
要是頁(yè)緩存中沒(méi)有找到所需數(shù)據(jù)，就會(huì)觸發(fā)缺頁(yè)錯(cuò)誤（Page Fault） 。此時(shí)，內(nèi)核就像一個(gè)勤勞的快遞員，需要從磁盤(pán)中讀取數(shù)據(jù) 。內(nèi)核會(huì)通過(guò)文件系統(tǒng)找到數(shù)據(jù)在磁盤(pán)上的位置，向磁盤(pán)發(fā)出 I/O 請(qǐng)求 。磁盤(pán)接收到請(qǐng)求后，開(kāi)始工作，機(jī)械磁盤(pán)需要移動(dòng)磁頭定位到數(shù)據(jù)所在的磁道和扇區(qū)，固態(tài)磁盤(pán)則通過(guò)電子信號(hào)快速讀取數(shù)據(jù) 。讀取到的數(shù)據(jù)會(huì)被加載到頁(yè)緩存中，然后再?gòu)捻?yè)緩存復(fù)制到應(yīng)用程序的內(nèi)存空間 。如果頁(yè)緩存已滿，內(nèi)核會(huì)按照一定的算法，如最近最少使用（Least Recently Used，LRU）算法，將最近最少使用的頁(yè)面刷新到磁盤(pán)并從緩存中驅(qū)逐，以騰出空間給新頁(yè)面 。
寫(xiě)入操作的流程也類(lèi)似，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入到內(nèi)核的頁(yè)緩存中，標(biāo)記寫(xiě)入的頁(yè)面為臟頁(yè)（Dirty Page） 。此時(shí)數(shù)據(jù)并沒(méi)有立即寫(xiě)入磁盤(pán)，而是在內(nèi)核認(rèn)為合適的時(shí)候，例如系統(tǒng)空閑時(shí)或者臟頁(yè)數(shù)量達(dá)到一定閾值時(shí)，才會(huì)將臟頁(yè)的數(shù)據(jù)真正寫(xiě)入磁盤(pán)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為寫(xiě)回（Write Back） 。這樣做的好處是可以減少磁盤(pán) I/O 操作的次數(shù)，提高系統(tǒng)性能，因?yàn)榇疟P(pán)的寫(xiě)入速度相對(duì)較慢，批量寫(xiě)入可以提高效率 。不過(guò)，如果系統(tǒng)突然崩潰，可能會(huì)導(dǎo)致部分已寫(xiě)入頁(yè)緩存但未寫(xiě)回磁盤(pán)的數(shù)據(jù)丟失 。
頁(yè)緩存的存在大大提高了 I/O 操作的性能，它利用了時(shí)間局部性原理（最近訪問(wèn)過(guò)的頁(yè)面將在近期再次被訪問(wèn)）和空間局部性原理（物理上相鄰的元素很有可能彼此接近） 。通過(guò)預(yù)讀（Read - Ahead）機(jī)制，內(nèi)核會(huì)提前加載可能會(huì)被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)到頁(yè)緩存中，預(yù)測(cè)它們的訪問(wèn)并攤銷(xiāo)一些 I/O 成本 。同時(shí)，頁(yè)緩存還通過(guò)延遲寫(xiě)入和合并相鄰讀取來(lái)進(jìn)一步提升 I/O 性能 。
Part2.衡量磁盤(pán)I/O性能的關(guān)鍵指標(biāo)
2.1 IOPS：每秒 I/O 操作次數(shù)
IOPS，即 Input/Output Operations Per Second，翻譯過(guò)來(lái)就是每秒 I/O 操作次數(shù) ，它就像是磁盤(pán)的 “忙碌程度計(jì)數(shù)器”，是衡量磁盤(pán)性能的重要指標(biāo)之一 。這個(gè)指標(biāo)主要用于評(píng)估存儲(chǔ)設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的 I/O 請(qǐng)求數(shù)量，體現(xiàn)了磁盤(pán)隨機(jī)讀寫(xiě)的能力 。在實(shí)際應(yīng)用中，IOPS 在隨機(jī) I/O 場(chǎng)景下有著不可替代的重要性 。例如在數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)處理中，數(shù)據(jù)庫(kù)需要頻繁地讀寫(xiě)大量小數(shù)據(jù)塊，這些數(shù)據(jù)塊的存儲(chǔ)位置通常是不連續(xù)的，屬于典型的隨機(jī) I/O 操作 。以電商系統(tǒng)的訂單處理為例，當(dāng)用戶下單時(shí)，系統(tǒng)需要將訂單信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)的不同表和字段中，這些寫(xiě)入操作的位置是隨機(jī)分布的 。
如果磁盤(pán)的 IOPS 較低，那么在高并發(fā)的下單場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)庫(kù)處理 I/O 請(qǐng)求的速度就會(huì)很慢，導(dǎo)致訂單處理延遲，用戶可能需要長(zhǎng)時(shí)間等待才能看到下單結(jié)果，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn) 。再比如在虛擬化環(huán)境中，多個(gè)虛擬機(jī)同時(shí)運(yùn)行，每個(gè)虛擬機(jī)都可能產(chǎn)生大量的隨機(jī) I/O 請(qǐng)求 。如果存儲(chǔ)設(shè)備的 IOPS 無(wú)法滿足這些請(qǐng)求，就會(huì)導(dǎo)致虛擬機(jī)性能下降，出現(xiàn)卡頓、響應(yīng)遲緩等問(wèn)題 。
IOPS 的數(shù)值受到多種因素的影響 。從硬件方面來(lái)看，磁盤(pán)類(lèi)型是一個(gè)關(guān)鍵因素，固態(tài)硬盤(pán)（SSD）由于沒(méi)有機(jī)械尋道時(shí)間，其 IOPS 性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械硬盤(pán)（HDD） 。一般消費(fèi)級(jí) SSD 的隨機(jī) IOPS 可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)，而普通機(jī)械硬盤(pán)的隨機(jī) IOPS 通常只有幾十到幾百 。此外，硬盤(pán)的轉(zhuǎn)速、緩存大小等也會(huì)對(duì) IOPS 產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)速越高、緩存越大，IOPS 性能相對(duì)越好 。在系統(tǒng)層面，隊(duì)列深度也會(huì)影響 IOPS 。隊(duì)列深度是指同時(shí)向磁盤(pán)提交的 I/O 請(qǐng)求數(shù)量 。
當(dāng)隊(duì)列深度增加時(shí)，磁盤(pán)可以并行處理更多的 I/O 請(qǐng)求，從而提高 IOPS 。不過(guò)，當(dāng)隊(duì)列深度超過(guò)一定值后，由于磁盤(pán)處理能力的限制，IOPS 可能不再提升，甚至?xí)驗(yàn)橘Y源競(jìng)爭(zhēng)而下降 。不同的 I/O 請(qǐng)求大小也會(huì)影響 IOPS，通常較小的 I/O 請(qǐng)求可以獲得更高的 IOPS，因?yàn)樗鼈冋加么疟P(pán)的時(shí)間較短，磁盤(pán)可以在單位時(shí)間內(nèi)處理更多的此類(lèi)請(qǐng)求 。
2.2 吞吐量：數(shù)據(jù)傳輸速率
吞吐量，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量 ，它就像是數(shù)據(jù)傳輸?shù)?“高速公路”，反映了磁盤(pán)在單位時(shí)間內(nèi)能夠傳輸數(shù)據(jù)的能力，是衡量磁盤(pán)性能的另一個(gè)重要指標(biāo) ，單位通常是字節(jié)每秒（B/s）、千字節(jié)每秒（KB/s）或兆字節(jié)每秒（MB/s） 。在順序 I/O 場(chǎng)景中，吞吐量起著至關(guān)重要的作用 。比如在視頻流服務(wù)中，服務(wù)器需要將大量的視頻數(shù)據(jù)連續(xù)不斷地傳輸給用戶 。假設(shè)一個(gè)高清視頻的碼率為 10Mbps（約 1.25MB/s），如果磁盤(pán)的吞吐量足夠高，能夠快速讀取視頻文件并傳輸給用戶，那么用戶就能流暢地觀看視頻，不會(huì)出現(xiàn)卡頓、加載緩慢等問(wèn)題 。
相反，如果磁盤(pán)吞吐量不足，視頻數(shù)據(jù)傳輸不及時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致視頻播放中斷，用戶體驗(yàn)極差 。再比如在數(shù)據(jù)備份場(chǎng)景中，需要將大量的文件從一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備復(fù)制到另一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備，這個(gè)過(guò)程涉及到大量的順序讀寫(xiě)操作 。如果磁盤(pán)吞吐量高，就能快速完成數(shù)據(jù)備份，節(jié)省時(shí)間；否則，備份過(guò)程可能會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，影響業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行 。
影響吞吐量的因素有很多 。磁盤(pán)的類(lèi)型和接口速度是重要因素之一，SSD 的順序讀寫(xiě)速度比 HDD 快很多，因此在順序 I/O 場(chǎng)景下，SSD 的吞吐量通常更高 。例如，SATA 接口的 SSD 順序讀取速度一般在 500 - 600MB/s 左右，而 NVMe 接口的 SSD 順序讀取速度可以達(dá)到 3000MB/s 以上 。此外，數(shù)據(jù)塊大小也會(huì)對(duì)吞吐量產(chǎn)生影響，較大的數(shù)據(jù)塊可以減少 I/O 操作的次數(shù)，從而提高吞吐量 。在網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)帶寬也會(huì)限制吞吐量，如果網(wǎng)絡(luò)帶寬不足，即使磁盤(pán)本身的吞吐量很高，數(shù)據(jù)傳輸速度也會(huì)受到限制 。
2.3 延遲：I/O 操作的響應(yīng)時(shí)間
I/O 延遲，指的是從應(yīng)用程序發(fā)出 I/O 請(qǐng)求開(kāi)始，到接收到 I/O 操作完成的響應(yīng)所經(jīng)歷的時(shí)間 ，它就像是快遞的 “送貨時(shí)長(zhǎng)”，是衡量磁盤(pán)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，直接反映了磁盤(pán)處理 I/O 請(qǐng)求的速度 。I/O 延遲對(duì)應(yīng)用程序的性能有著深遠(yuǎn)的影響 。在實(shí)時(shí)交易系統(tǒng)中，如股票交易軟件，每一次交易操作都需要快速讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù) 。如果 I/O 延遲過(guò)高，從用戶下單到系統(tǒng)確認(rèn)交易的時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致交易失敗或者錯(cuò)過(guò)最佳交易時(shí)機(jī) 。再比如在游戲場(chǎng)景中，游戲需要實(shí)時(shí)加載各種資源，如地圖、角色模型等 。如果 I/O 延遲大，游戲畫(huà)面的加載就會(huì)緩慢，出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，嚴(yán)重影響玩家的游戲體驗(yàn) 。
I/O 延遲產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)方面 。磁盤(pán)的物理特性是一個(gè)重要因素，對(duì)于機(jī)械硬盤(pán)來(lái)說(shuō)，尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲是導(dǎo)致 I/O 延遲的主要原因 。尋道時(shí)間是指磁頭移動(dòng)到數(shù)據(jù)所在磁道所需的時(shí)間，旋轉(zhuǎn)延遲是指盤(pán)片旋轉(zhuǎn)將數(shù)據(jù)所在扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下方所需的時(shí)間 。由于機(jī)械硬盤(pán)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度有限，這兩個(gè)時(shí)間加起來(lái)通常會(huì)導(dǎo)致較高的 I/O 延遲 。而固態(tài)硬盤(pán)雖然沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，但也存在閃存芯片的讀寫(xiě)延遲以及內(nèi)部控制器的處理時(shí)間 。
此外，系統(tǒng)的負(fù)載情況也會(huì)影響 I/O 延遲 。當(dāng)系統(tǒng)中有大量的 I/O 請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，磁盤(pán)需要排隊(duì)處理這些請(qǐng)求，等待時(shí)間就會(huì)增加，從而導(dǎo)致 I/O 延遲上升 。文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)也會(huì)對(duì) I/O 延遲產(chǎn)生影響，例如文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)管理方式、緩存機(jī)制等 。
Part3.實(shí)用的磁盤(pán)I/O性能測(cè)試工具
在優(yōu)化 Linux 磁盤(pán) I/O 性能的過(guò)程中，選擇合適的性能測(cè)試工具至關(guān)重要。這些工具就像是精準(zhǔn)的 “性能探測(cè)器”，能夠幫助我們深入了解磁盤(pán) I/O 的性能狀況，為優(yōu)化提供有力的數(shù)據(jù)支持。接下來(lái)，讓我們一起探索兩款常用的磁盤(pán) I/O 性能測(cè)試工具。
3.1 fio：靈活的 I/O 測(cè)試工具
fio 是一款功能極其強(qiáng)大且靈活的 I/O 測(cè)試工具，堪稱(chēng) I/O 測(cè)試領(lǐng)域的 “瑞士軍刀”，它支持多種操作系統(tǒng)，包括 Linux、Windows 等 ，并且可以模擬多種不同的 I/O 模式 ，是系統(tǒng)管理員和存儲(chǔ)工程師評(píng)估存儲(chǔ)性能的得力助手 。在 Linux 系統(tǒng)中，可以通過(guò)包管理器輕松安裝，對(duì)于 Debian/Ubuntu 系統(tǒng)，使用命令 “sudo apt - get install fio”；對(duì)于 CentOS 系統(tǒng)，則使用 “sudo yum install fio” 。
# 使用fio進(jìn)行磁盤(pán)I/O測(cè)試
fio --name=test --ioengine=libaio --iodepth=4 --rw=readwrite --bs=4k --size=1G --numjobs=1fio 之所以如此強(qiáng)大，是因?yàn)樗鼡碛胸S富的參數(shù)選項(xiàng)，能夠滿足各種復(fù)雜的測(cè)試需求 。比如 “--name” 用于定義作業(yè)名稱(chēng)，方便在測(cè)試結(jié)果中區(qū)分不同的測(cè)試任務(wù)；“--ioengine” 用于指定 I/O 引擎，常見(jiàn)的有 sync、mmap、pvsync、libaio 等，不同的 I/O 引擎適用于不同的測(cè)試場(chǎng)景 。“--rw” 用來(lái)指定讀寫(xiě)方式，如 randread（隨機(jī)讀）、randwrite（隨機(jī)寫(xiě)）、read（順序讀）、write（順序?qū)懀┑?。“--bs” 表示塊大小，“--size” 指定測(cè)試文件大小，“--numjobs” 設(shè)置工作線程數(shù)，“--runtime” 規(guī)定測(cè)試運(yùn)行時(shí)間，“--time_based” 確定測(cè)試運(yùn)行模式（時(shí)間模式或者 I/O 模式），“--direct” 決定是否使用直接 I/O 。“--iodepth” 代表 I/O 隊(duì)列深度，“--group_reporting” 用于指定是否按照組進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的報(bào)告，“--output - format” 可以指定測(cè)試結(jié)果的輸出格式，如 json、csv、xml 等 。
下面通過(guò)幾個(gè)具體的例子來(lái)看看如何使用 fio 進(jìn)行常見(jiàn) I/O 場(chǎng)景測(cè)試 。假設(shè)我們要測(cè)試磁盤(pán)的順序讀性能，可以使用這樣的命令：“fio --name = seq_read --ioengine = libaio --iodepth = 1 --rw = read --bs = 4k --size = 1G --numjobs = 1” 。在這個(gè)命令中，“--name = seq_read” 設(shè)定作業(yè)名稱(chēng)為 seq_read ；“--ioengine = libaio” 選擇異步 I/O 引擎 libaio ，它能提供高效的異步 I/O 操作，適合模擬實(shí)際應(yīng)用中的異步讀寫(xiě)場(chǎng)景 ；“--iodepth = 1” 設(shè)置 I/O 隊(duì)列深度為 1 ，表示每個(gè)工作線程同時(shí)只進(jìn)行 1 個(gè) I/O 操作 ；“--rw = read” 指定測(cè)試類(lèi)型為順序讀 ；“--bs = 4k” 將塊大小設(shè)置為 4KB ，這是一個(gè)常見(jiàn)的塊大小，很多文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序在處理小文件時(shí)會(huì)使用這個(gè)大小 ；“--size = 1G” 表示測(cè)試文件大小為 1GB ；“--numjobs = 1” 代表使用 1 個(gè)工作線程 。執(zhí)行這個(gè)命令后，fio 會(huì)按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行順序讀測(cè)試，并輸出詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果，包括 IOPS、帶寬、延遲等信息 。
再比如，要測(cè)試磁盤(pán)的隨機(jī)讀寫(xiě)混合性能，命令可以是：“fio --name = rand_rw_mix --ioengine = libaio --iodepth = 16 --rw = randrw --rwmixread = 70 --bs = 4k --size = 2G --numjobs = 4 --runtime = 60 --group_reporting” 。這里 “--rw = randrw” 指定為隨機(jī)讀寫(xiě)混合模式 ，“--rwmixread = 70” 表示讀操作占 70% ，寫(xiě)操作占 30% ，這樣可以模擬一些實(shí)際應(yīng)用中讀寫(xiě)比例不同的場(chǎng)景 ，如數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫(xiě)操作 ；“--iodepth = 16” 增大了 I/O 隊(duì)列深度，以測(cè)試磁盤(pán)在高并發(fā) I/O 請(qǐng)求下的性能 ；“--numjobs = 4” 使用 4 個(gè)工作線程并發(fā)進(jìn)行測(cè)試 ；“--runtime = 60” 設(shè)置測(cè)試運(yùn)行時(shí)間為 60 秒 ；“--group_reporting” 使測(cè)試結(jié)果按照組進(jìn)行報(bào)告，方便查看和分析多個(gè)工作線程的整體性能 。通過(guò)這些不同參數(shù)的組合，fio 能夠模擬出各種各樣復(fù)雜的 I/O 場(chǎng)景，為我們深入了解磁盤(pán)性能提供了有力的支持 。
3.2 iostat：系統(tǒng) I/O 統(tǒng)計(jì)信息查看工具
iostat 是 Linux 系統(tǒng)中一個(gè)非常實(shí)用的工具，它就像是系統(tǒng) I/O 的 “健康檢測(cè)儀”，主要用于監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的 I/O 負(fù)載情況 ，能夠提供關(guān)于磁盤(pán)使用情況、讀寫(xiě)操作和等待時(shí)間等豐富的 I/O 性能狀態(tài)數(shù)據(jù) 。iostat 命令首次運(yùn)行時(shí)，會(huì)顯示自系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)信息，之后運(yùn)行則顯示自上次運(yùn)行該命令以后的統(tǒng)計(jì)信息 。我們可以通過(guò)指定統(tǒng)計(jì)的次數(shù)和時(shí)間來(lái)獲取所需的統(tǒng)計(jì)信息 。在大多數(shù) Linux 發(fā)行版中，iostat 命令包含在 sysstat 包中 。對(duì)于 Debian/Ubuntu 系統(tǒng)，可以使用 “sudo apt - get install sysstat” 命令進(jìn)行安裝；對(duì)于 CentOS 系統(tǒng)，使用 “sudo yum install sysstat” 來(lái)安裝 。
# 安裝iostat（以CentOS為例）
sudo yum install sysstat
# 使用iostat查看磁盤(pán)I/O性能
iostat -mx 1使用 iostat 查看磁盤(pán) I/O 統(tǒng)計(jì)信息的方法較為簡(jiǎn)單 。基本命令格式為 “iostat [OPTION] [INTERVAL] [COUNT]” ，其中 “OPTION” 是選項(xiàng)參數(shù)，用于指定輸出的特定信息，“INTERVAL” 指定數(shù)據(jù)刷新間隔，單位為秒，“COUNT” 指定顯示數(shù)據(jù)的次數(shù) 。例如，要查看系統(tǒng)所有磁盤(pán)設(shè)備每秒的 I/O 情況，并以擴(kuò)展格式顯示詳細(xì)信息，可以使用命令 “iostat -x 1” 。這里 “-x” 選項(xiàng)表示顯示擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)信息，它會(huì)展示諸如每秒合并的讀請(qǐng)求數(shù)量（rrqm/s）、每秒合并的寫(xiě)請(qǐng)求數(shù)量（wrqm/s）、每秒讀取的操作數(shù)（r/s）、每秒寫(xiě)入的操作數(shù)（w/s）、每次請(qǐng)求的平均等待時(shí)間（await）、磁盤(pán)當(dāng)前的使用率（% util）等詳細(xì)數(shù)據(jù) ，“1” 表示每秒更新一次數(shù)據(jù) 。
執(zhí)行該命令后，會(huì)實(shí)時(shí)輸出磁盤(pán) I/O 的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)信息，通過(guò)這些信息，我們可以直觀地了解磁盤(pán)的工作狀態(tài) 。比如，如果看到 “% util” 接近 100% ，說(shuō)明磁盤(pán)產(chǎn)生的 I/O 請(qǐng)求太多，I/O 系統(tǒng)已經(jīng)滿負(fù)荷，該磁盤(pán)可能存在瓶頸 ；如果 “await” 遠(yuǎn)大于平均每次設(shè)備 I/O 操作的服務(wù)時(shí)間（svctm），說(shuō)明 I/O 隊(duì)列太長(zhǎng)，I/O 響應(yīng)太慢，可能需要進(jìn)行優(yōu)化 。
如果只想查看指定磁盤(pán)設(shè)備（如 sda）的I/O統(tǒng)計(jì)信息，可以使用 “iostat -d -x sda 2” 命令 。“-d”選項(xiàng)表示僅顯示設(shè)備（磁盤(pán)）使用狀態(tài)，“-x” 依然是顯示擴(kuò)展信息，“sda” 指定要監(jiān)控的磁盤(pán)設(shè)備，“2”表示每2秒刷新一次數(shù)據(jù) 。這樣就能專(zhuān)注于特定磁盤(pán)的性能監(jiān)控，方便我們對(duì)單個(gè)磁盤(pán)進(jìn)行詳細(xì)的分析和排查問(wèn)題 。此外，還可以結(jié)合其他選項(xiàng)來(lái)滿足不同的需求，比如“-k”選項(xiàng)使某些使用 block 為單位的列強(qiáng)制使用 Kilobytes 為單位顯示，“-m”選項(xiàng)則是以兆字節(jié)每秒為單位顯示傳輸速率，讓我們能更直觀地理解數(shù)據(jù)的大小和傳輸速度 。
Part4.Linux磁盤(pán)I/O性能優(yōu)化實(shí)戰(zhàn)策略
4.1 應(yīng)用程序?qū)用娴膬?yōu)化
在應(yīng)用程序?qū)用妫瑑?yōu)化 I/O 請(qǐng)求模式是提升磁盤(pán) I/O 性能的關(guān)鍵策略之一 。盡量使用順序 I/O 代替隨機(jī) I/O，因?yàn)轫樞?I/O 就像在一條暢通無(wú)阻的高速公路上行駛，數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭氲奈恢檬沁B續(xù)的，避免了磁盤(pán)磁頭頻繁尋道的開(kāi)銷(xiāo) 。例如，在數(shù)據(jù)寫(xiě)入場(chǎng)景中，按順序?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入文件，而不是隨機(jī)地在文件的不同位置進(jìn)行寫(xiě)入操作 。對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用，可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)表結(jié)構(gòu)和索引，使得數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作盡可能順序化 。以電商數(shù)據(jù)庫(kù)中的訂單表為例，按照訂單時(shí)間順序存儲(chǔ)訂單數(shù)據(jù)，在查詢一段時(shí)間內(nèi)的訂單時(shí)，就可以利用順序 I/O 快速讀取數(shù)據(jù) 。
減少不必要的 I/O 操作也是提高性能的重要方法 。在程序中避免頻繁地打開(kāi)和關(guān)閉文件，因?yàn)槊看未蜷_(kāi)和關(guān)閉文件都涉及到系統(tǒng)資源的分配和釋放，會(huì)增加 I/O 開(kāi)銷(xiāo) 。可以將多次小的 I/O 操作合并為一次大的 I/O 操作，減少 I/O 請(qǐng)求的次數(shù) 。比如在日志記錄場(chǎng)景中，不要每次有新的日志信息就立即寫(xiě)入文件，而是先將日志信息緩存起來(lái)，當(dāng)緩存達(dá)到一定數(shù)量或一定時(shí)間間隔后，再一次性寫(xiě)入文件 。
使用異步 I/O（Asynchronous I/O）可以顯著提升 I/O 性能 。異步 I/O 允許應(yīng)用程序在發(fā)起 I/O 請(qǐng)求后，不需要等待 I/O 操作完成就可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，就像在餐廳點(diǎn)餐時(shí)，點(diǎn)完餐可以先去做其他事情，而不是一直等待食物上桌 。在 Linux 系統(tǒng)中，可以使用 libaio 庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)異步 I/O 。以 C 語(yǔ)言為例，通過(guò)調(diào)用 libaio 庫(kù)中的函數(shù)，如 io_submit、io_getevents 等，可以實(shí)現(xiàn)高效的異步 I/O 操作 。在高并發(fā)的 Web 服務(wù)器應(yīng)用中，使用異步 I/O 可以讓服務(wù)器在處理 I/O 操作的同時(shí)，繼續(xù)響應(yīng)其他客戶端的請(qǐng)求，大大提高服務(wù)器的并發(fā)處理能力 。
合理運(yùn)用緩存技術(shù)也能有效減少磁盤(pán)I/O操作 。在應(yīng)用程序內(nèi)部構(gòu)建緩存機(jī)制，將經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存緩存中，當(dāng)再次需要訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)時(shí)，直接從緩存中獲取，避免了磁盤(pán)I/O 。例如，在 Web 應(yīng)用中，可以使用 Memcached或Redis等內(nèi)存緩存系統(tǒng)，緩存網(wǎng)頁(yè)片段、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢結(jié)果等數(shù)據(jù) 。當(dāng)用戶請(qǐng)求相同的數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用程序首先檢查緩存，如果緩存中有數(shù)據(jù)，就直接返回給用戶，減少了從磁盤(pán)讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間 。同時(shí)，還可以利用操作系統(tǒng)的頁(yè)緩存，通過(guò)適當(dāng)?shù)奈募L問(wèn)模式和系統(tǒng)調(diào)用，讓操作系統(tǒng)更好地管理頁(yè)緩存，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率 。
4.2 文件系統(tǒng)層面的優(yōu)化
選擇合適的文件系統(tǒng)是文件系統(tǒng)層面優(yōu)化的基礎(chǔ) 。不同的文件系統(tǒng)有著各自獨(dú)特的特性，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景 。EXT4 是 Linux 系統(tǒng)中廣泛使用的文件系統(tǒng)，它具有成熟穩(wěn)定、兼容性好的特點(diǎn) ，在小文件處理方面表現(xiàn)出色，適合一般的桌面應(yīng)用和小型服務(wù)器場(chǎng)景 。比如在個(gè)人電腦的 Linux 系統(tǒng)中，使用 EXT4 文件系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)日常的文檔、圖片、視頻等文件，能夠滿足用戶的基本需求 。XFS 文件系統(tǒng)則更適合大文件和高并發(fā)的應(yīng)用場(chǎng)景 ，它具有高性能、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，支持超大文件和大容量存儲(chǔ)設(shè)備 。
在大型數(shù)據(jù)中心中，用于存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)的服務(wù)器，如視頻存儲(chǔ)服務(wù)器，采用 XFS 文件系統(tǒng)可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，快速處理大量的大文件讀寫(xiě)請(qǐng)求 。Btrfs 文件系統(tǒng)則提供了一些高級(jí)功能，如快照、數(shù)據(jù)壓縮、錯(cuò)誤檢測(cè)與修復(fù)等 ，適用于對(duì)數(shù)據(jù)管理和可靠性有較高要求的場(chǎng)景 ，如企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份系統(tǒng) 。
調(diào)整文件系統(tǒng)的掛載選項(xiàng)和參數(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化性能 。在掛載文件系統(tǒng)時(shí)，可以使用 “noatime” 和 “nodiratime” 選項(xiàng) 。“noatime” 禁止更新文件的訪問(wèn)時(shí)間戳，“nodiratime” 禁止更新目錄的訪問(wèn)時(shí)間戳 。這兩個(gè)選項(xiàng)可以減少文件系統(tǒng)的 I/O 操作，因?yàn)槊看挝募蚰夸洷辉L問(wèn)時(shí)，默認(rèn)情況下會(huì)更新其訪問(wèn)時(shí)間戳，這會(huì)產(chǎn)生額外的 I/O 開(kāi)銷(xiāo) 。例如，對(duì)于一些只需要讀取數(shù)據(jù)，而不需要關(guān)注文件訪問(wèn)時(shí)間的應(yīng)用場(chǎng)景，如靜態(tài)文件服務(wù)器，可以在掛載文件系統(tǒng)時(shí)使用這兩個(gè)選項(xiàng)，提高系統(tǒng)性能 。
對(duì)于使用 EXT4 文件系統(tǒng)的設(shè)備，可以使用 tune2fs 命令來(lái)調(diào)整文件系統(tǒng)的參數(shù) 。比如使用 “tune2fs -o journal_data_writeback /dev/sda1” 命令，可以將文件系統(tǒng)的日志模式設(shè)置為 data=writeback，這種模式下，數(shù)據(jù)的寫(xiě)入操作會(huì)更加激進(jìn)，性能更高，但在系統(tǒng)崩潰時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)增加 ，適用于對(duì)性能要求較高且對(duì)數(shù)據(jù)一致性要求相對(duì)較低的場(chǎng)景 。還可以合理設(shè)置文件系統(tǒng)的日志大小，使用 “mkfs.ext4 -J size=1g /dev/sda1” 命令可以在創(chuàng)建 EXT4 文件系統(tǒng)時(shí)，將日志大小設(shè)置為 1GB ，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整日志大小，可以平衡文件系統(tǒng)的性能和數(shù)據(jù)安全性 。
4.3 磁盤(pán)層面的優(yōu)化
在磁盤(pán)層面，升級(jí)硬件是提升 I/O 性能最直接有效的方法之一 。將機(jī)械硬盤(pán)升級(jí)為固態(tài)硬盤(pán)（SSD）能帶來(lái)質(zhì)的飛躍 。SSD 憑借其快速的讀寫(xiě)速度、極低的尋道時(shí)間和高隨機(jī) I/O 性能，成為對(duì) I/O 性能要求苛刻場(chǎng)景的首選 。在數(shù)據(jù)中心中，許多高性能數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器紛紛采用 SSD 作為存儲(chǔ)設(shè)備 。以 Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)為例，將原本使用機(jī)械硬盤(pán)的存儲(chǔ)系統(tǒng)更換為 SSD 后，數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢響應(yīng)時(shí)間大幅縮短，事務(wù)處理能力顯著提升 。在一些對(duì)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度要求極高的實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中，SSD 的優(yōu)勢(shì)也得以充分體現(xiàn)，能夠快速處理大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為決策提供及時(shí)準(zhǔn)確的支持 。
優(yōu)化磁盤(pán)陣列配置也能顯著提高性能 。RAID（Redundant Arrays of Independent Disks）技術(shù)通過(guò)將多個(gè)磁盤(pán)組合成一個(gè)邏輯單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余、提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度以及增強(qiáng)數(shù)據(jù)保護(hù)能力 。不同的 RAID 級(jí)別適用于不同的場(chǎng)景 。RAID 0采用條帶化技術(shù)，將數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在多個(gè)磁盤(pán)上，讀寫(xiě)性能極高，但沒(méi)有數(shù)據(jù)冗余，一旦其中一個(gè)磁盤(pán)出現(xiàn)故障，整個(gè)陣列的數(shù)據(jù)都會(huì)丟失 ，適用于對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求不高，但對(duì)讀寫(xiě)速度要求極高的場(chǎng)景，如視頻編輯工作站，在處理大型視頻文件時(shí)，可以利用 RAID 0的高速讀寫(xiě)性能快速加載和保存視頻數(shù)據(jù) 。RAID 1 是鏡像模式，將數(shù)據(jù)完全復(fù)制到多個(gè)磁盤(pán)上，具有很高的數(shù)據(jù)冗余能力，任何一塊磁盤(pán)的故障都不會(huì)影響數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，但寫(xiě)入性能相對(duì)較低，因?yàn)槊看螌?xiě)操作都需要同時(shí)寫(xiě)入多個(gè)磁盤(pán) ，常用于對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求極高的場(chǎng)景，如銀行的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)，確保客戶數(shù)據(jù)的安全可靠 。
RAID 5結(jié)合了數(shù)據(jù)分條和分布式奇偶校驗(yàn)技術(shù)，讀性能接近 RAID 0，寫(xiě)性能處于平均水準(zhǔn)，允許一塊磁盤(pán)損壞，利用剩下的數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)信息可以恢復(fù)被損壞的數(shù)據(jù) ，適用于對(duì)性能和安全都有一定要求的場(chǎng)景，如企業(yè)的文件服務(wù)器，既能保證數(shù)據(jù)的安全性，又能滿足日常文件讀寫(xiě)的性能需求 。RAID 10則是 RAID 0和 RAID 1的組合體，首先創(chuàng)建多個(gè)RAID 1 鏡像對(duì)，然后將這些鏡像對(duì)條帶化成 RAID 0 陣列，讀寫(xiě)性能都非常高，且具有較高的容錯(cuò)能力 ，適用于對(duì)性能和數(shù)據(jù)安全性都有極高要求的場(chǎng)景，如大型電商網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫(kù)主庫(kù)，在高并發(fā)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，既能保證數(shù)據(jù)的安全，又能快速響應(yīng)大量的讀寫(xiě)請(qǐng)求 。
調(diào)整 I/O 調(diào)度器也是優(yōu)化磁盤(pán)性能的重要手段 。Linux 系統(tǒng)提供了多種 I/O 調(diào)度器，如 noop、deadline、cfq（完全公平隊(duì)列）等 。noop 調(diào)度器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的 FIFO 隊(duì)列，像電梯一樣對(duì) I/O 請(qǐng)求進(jìn)行組織，將新請(qǐng)求合并到最近的請(qǐng)求之后 ，它非常適合 SSD 等快速存儲(chǔ)設(shè)備，因?yàn)?SSD 的讀寫(xiě)速度快，尋道時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)，noop 調(diào)度器簡(jiǎn)單高效的特性能夠充分發(fā)揮 SSD 的優(yōu)勢(shì) 。在使用 SSD 的服務(wù)器中，將 I/O 調(diào)度器設(shè)置為 noop，可以減少調(diào)度器的開(kāi)銷(xiāo)，提高 I/O 性能 。
deadline 調(diào)度器通過(guò)時(shí)間以及硬盤(pán)區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)，確保在一個(gè)截止時(shí)間內(nèi)服務(wù)請(qǐng)求，默認(rèn)讀期限短于寫(xiě)期限，防止寫(xiě)操作因?yàn)椴荒鼙蛔x取而餓死 ，它對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境非常友好，在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，使用 deadline 調(diào)度器可以保證數(shù)據(jù)庫(kù)的 I/O 請(qǐng)求能夠得到及時(shí)處理，減少 I/O 延遲，提高數(shù)據(jù)庫(kù)的性能 。
cfq 調(diào)度器試圖均勻地分布對(duì) I/O 帶寬的訪問(wèn)，避免進(jìn)程被餓死并實(shí)現(xiàn)較低的延遲 ，它是一種比較通用的調(diào)度器，對(duì)于通用的服務(wù)器和桌面系統(tǒng)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇 ，在日常辦公的 Linux 桌面系統(tǒng)中，cfq 調(diào)度器能夠公平地分配 I/O 資源，保證各個(gè)應(yīng)用程序都能獲得合理的 I/O 帶寬 。可以通過(guò)修改 “/sys/block/sdX/queue/scheduler” 文件來(lái)調(diào)整 I/O 調(diào)度器，例如 “echo noop > /sys/block/sda/queue/scheduler” 命令可以將 sda 磁盤(pán)的 I/O 調(diào)度器設(shè)置為 noop 。
