硬碟是如何影響資料庫性能的？

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前面松哥和大家聊了 CPU 和記憶體對于資料庫性能的影響，但是大家想想，無論如何，資料最終都是要存入硬碟中的，是以硬碟肯定也會影響到資料庫的性能，那麼硬碟到底是如何影響資料庫性能的，今天我們就來簡單聊聊。

硬碟的使用，有四個不同的方向：

1. 傳統的機械硬碟。
2. 使用 RAID 增強機械硬碟性能。
3. 使用固态存儲 SSD。
4. 使用網絡存儲 NAS 和 SAN。

接下來我們就針對這四個方向逐一進行分析。

1.機械硬碟

這是最為常見的一種硬碟。松哥剛上大學那會，買筆記本電腦，基本上都是這種機械硬碟。不過現在小夥伴們買電腦，應該很多都是固态硬碟了。機械硬碟的特點就是便宜、單盤存儲空間較大，不過問題也很明顯，那就是讀寫較慢，相比于記憶體每秒 10GB 以上的資料傳輸，機械硬碟的資料真的慢的可憐。我剛畢業的時候，有一段時間特别想買 Mac，特别糾結。後來把我的 Windows 筆記本的機械硬碟換成了固态硬碟，開機可以秒開了，才把買 Mac 的想法掐滅了（一滅就是三年，三年後還是入手了 Mac）。

現在主流的機械硬碟基本上都是 7200 轉的 SATA 硬碟，在全速運轉并且是順序讀寫的情況下，性能也就是 150MB～160MB/s 左右；如果涉及到資料庫讀寫等随機性較強的 IO 操作，這個性能還要再下降。

傳統的機械硬碟在讀寫資料的時候，有三個步驟：

1. 尋道：磁頭定位到資料所在的磁道上，這是一個非常耗時的操作。目前 SATA 硬碟的平均尋道時間一般為 8~10 ms。
2. 旋轉延遲：到了特定的磁道之後，硬碟盤片需要旋轉，以便要讀寫的扇區能夠和磁頭吻合。7200 轉的硬碟，旋轉一周的時間為 1000/120=8.33 毫秒，平均旋轉延時則為 4.17 毫秒左右。
3. 資料傳輸：磁頭定位到需要讀取的扇區之後，開始傳輸資料。假設硬碟順序讀取的平均速度為 150MB/s，則讀取 4KB 的資料需要

   4KB*1000/(150*1024KB)=0.026

   毫秒，此值幾乎可以忽略不計。讀取 1MB 的資料需要

   1MB*1000/(150MB)=6.67

   毫秒，可見讀取大塊資料時，其真正用來讀取資料的時間一般也小于尋道時間和旋轉延時的和。

上面三個步驟所耗費的時間，也就是資料讀取的時間。

那麼該如何選擇磁盤呢？我們應該從如下幾個方面來考慮：

1. 單盤容量盡量大。
2. 資料傳輸速度盡量快，這個取決于磁盤主軸轉動速度，以及資料存儲在磁盤表面的密度，一般來說，這個并不會成為我們的瓶頸。
3. 通路時間盡量夠快。
4. 主軸轉速盡量快，根據上面的介紹，磁盤的轉速會影響到資料的通路時間和讀取時間。
5. 還有一個就是磁盤的實體尺寸。這個也好了解，磁盤越小，資料讀取速度肯定越快。不過一般來說，磁盤越小，意味着存儲空間可能也會變小，這就和第一點相悖了，在實際選擇中需要權衡。

2.RAID

獨立硬碟備援陣列（RAID, Redundant Array of Independent Disks），以前也叫廉價磁盤備援陣列（Redundant Array of Inexpensive Disks），簡稱磁盤陣列。RAID 利用虛拟化存儲技術把多個硬碟組合起來，成為一個或多個硬碟陣列組，目的為提升性能或實作資料備援，或是兩者同時提升。

在具體運作中，RAID 層級不同，資料也會以多種模式分散于各個硬碟，RAID 層級的命名會以 RAID 開頭并帶數字，例如：RAID0、RAID1、RAID5、RAID6、RAID7、RAID01、RAID10、RAID50、RAID60，每種層級都有其理論上的優缺點，不同的層級在資料備援和性能提升兩個目标間擷取平衡。

簡單來說，RAID 把多個硬碟組合成為一個邏輯硬碟，是以，作業系統隻會把它當作一個實體硬碟。RAID 常被用在伺服器電腦上，并且常使用完全相同的硬碟作為組合，由于硬碟價格的不斷下降同時 RAID 功能更加有效地與主機闆內建，這使得 RAID 成為普通使用者的一個選擇，特别是需要大容量存儲空間的工作使用 RAID 就特别合适，如：視訊與音頻制作。

我們來看看幾個常見的 RAID 層級：

RAID0

RAID0 亦稱為資料條帶，它将兩個以上的磁盤并聯起來，成為一個大容量的磁盤。在存放資料時，分段後分散存儲在這些磁盤中，因為讀寫時都可以并行處理，是以在所有的級别中，RAID0 的速度是最快的（想當于可以同時讀取兩個磁盤）。但是 RAID0 既沒有備援功能，也不具備容錯能力，如果一個磁盤（實體）損壞，所有資料都會丢失，RAID0 也是實作成本最低的 RAID 模式。在一些不擔心資料丢失的場景下（例如資料備份），可以使用 RAID0。

RAID1

兩組以上的 N 個磁盤互相作鏡像，在一些多線程作業系統中能有很好的讀取速度，理論上讀取速度等于硬碟數量的倍數，與 RAID 0 相同，另外寫入速度有微小的降低（因為要寫到兩個磁盤上去）。RAID1 隻要一個磁盤正常即可維持運作，可靠性最高。

其原理為在主硬碟上存放資料的同時也在鏡像硬碟上寫一樣的資料，當主硬碟（實體）損壞時，鏡像硬碟則代替主硬碟的工作。因為有鏡像硬碟做資料備份，是以 RAID 1 的資料安全性在所有的 RAID 級别上來說是最好的。但無論用多少磁盤做 RAID 1，僅算一個磁盤的容量，是以它又是所有 RAID 中磁盤使用率最低的一個級别。RAID 1 可以在不影響性能的前提下，最大限度保證系統的可靠性和可修複性。

如果用兩個不同大小的磁盤建 RAID 1，可用空間為較小的那個磁盤，較大的磁盤多出來的空間也可以分割成一個區來使用，不會造成浪費。

RAID5

RAID5 也稱之為分布式奇偶校驗磁盤陣列，這種方式通過分布式奇偶校驗塊把資料分散到多個磁盤上，這樣如果任何一個盤資料丢失，都可以從奇偶資料校驗塊中重建。但是如果是兩個盤的資料丢失，則整個資料卷就無法恢複了。

RAID10

RAID 10 是先分割資料再鏡像。首先将所有硬碟分為兩組，先對磁盤做 RAID1，然後再對兩組 RAID1 的磁盤做 RAID 0，是以它的讀寫性能都比較好。

RAID 01 則是跟 RAID 10 的程式相反，先對磁盤做 RAID0，再做 RAID 1。

當 RAID 10 有一個硬碟受損，其餘硬碟會繼續運作，而 RAID 01 隻要有一個硬碟受損，同組 RAID 0 的所有硬碟都會停止運作，隻剩下其他組的硬碟運作，可靠性較低。是以，RAID 10 比 RAID 01 常用，零售主機闆絕大部分支援 RAID 0/1/5/10，但不支援 RAID 01。

那麼選哪種呢？下面這張表比較了不同 RAID 層級各自的特點：

3.固态硬碟

固态硬碟不需要多說，相比于傳統的機械硬碟有如下三個優勢：

1. 沒有機械結構，不怕震動（震動有可能讓磁頭撞到碟片上劃花碟片導緻損壞）。
2. 沒有尋道過程，是以讀寫檔案的延遲更低。
3. 連續讀寫檔案的速度一般比機械硬碟快。

目前SSD的主流接口分為，SATA 3.0、M.2、PCI-E 三種，U.2 和 mSATA 目前并不多見。

SATA 和 M.2 或 PCI-E 的主要差別在于二者采用不同的通道：PCI-E 通道的汽車就像是在高速上行駛，而 SATA 通道的汽車就像是在崎岖山路上行駛，你說哪個速度快？

下面這張表格描述了不同接口的傳輸速率：

相比于機械硬碟，固态硬碟具有更好的随機讀寫功能，順序讀寫其實機械硬碟也不差，但是随機讀寫就會差很多，而資料庫操作中，随機讀寫又很重要，是以固态硬碟的優勢明顯。

4.網絡存儲

網絡存儲其實不太适合存儲資料庫檔案，光是網絡延遲就夠令人崩潰了。不過如果想存放資料庫備份檔案，倒是可以用網絡存儲。另外就是需要注意資料庫伺服器的帶寬要夠用，别上面的東西整了一大堆，最後伺服器帶寬 128KB。。。

參考資料：

1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/19592076
2. https://ssd.zol.com.cn/676/6766649_all.html