硬盘是如何影响数据库性能的？

2021-07-15 15:28:37 浏览数 (1)

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前面松哥和大家聊了 CPU 和内存对于数据库性能的影响，但是大家想想，无论如何，数据最终都是要存入硬盘中的，所以硬盘肯定也会影响到数据库的性能，那么硬盘到底是如何影响数据库性能的，今天我们就来简单聊聊。

硬盘的使用，有四个不同的方向：

  1. 传统的机械硬盘。
  2. 使用 RAID 增强机械硬盘性能。
  3. 使用固态存储 SSD。
  4. 使用网络存储 NAS 和 SAN。

接下来我们就针对这四个方向逐一进行分析。

1.机械硬盘

这是最为常见的一种硬盘。松哥刚上大学那会，买笔记本电脑，基本上都是这种机械硬盘。不过现在小伙伴们买电脑，应该很多都是固态硬盘了。机械硬盘的特点就是便宜、单盘存储空间较大，不过问题也很明显，那就是读写较慢，相比于内存每秒 10GB 以上的数据传输，机械硬盘的数据真的慢的可怜。我刚毕业的时候，有一段时间特别想买 Mac，特别纠结。后来把我的 Windows 笔记本的机械硬盘换成了固态硬盘，开机可以秒开了，才把买 Mac 的想法掐灭了（一灭就是三年，三年后还是入手了 Mac）。

现在主流的机械硬盘基本上都是 7200 转的 SATA 硬盘，在全速运转并且是顺序读写的情况下，性能也就是 150MB～160MB/s 左右；如果涉及到数据库读写等随机性较强的 IO 操作，这个性能还要再下降。

传统的机械硬盘在读写数据的时候，有三个步骤：

  1. 寻道：磁头定位到数据所在的磁道上，这是一个非常耗时的操作。目前 SATA 硬盘的平均寻道时间一般为 8~10 ms。
  2. 旋转延迟：到了特定的磁道之后，硬盘盘片需要旋转，以便要读写的扇区能够和磁头吻合。7200 转的硬盘，旋转一周的时间为 1000/120=8.33 毫秒，平均旋转延时则为 4.17 毫秒左右。
  3. 数据传输：磁头定位到需要读取的扇区之后，开始传输数据。假设硬盘顺序读取的平均速度为 150MB/s，则读取 4KB 的数据需要 4KB*1000/(150*1024KB)=0.026 毫秒，此值几乎可以忽略不计。读取 1MB 的数据需要 1MB*1000/(150MB)=6.67 毫秒，可见读取大块数据时，其真正用来读取数据的时间一般也小于寻道时间和旋转延时的和。

上面三个步骤所耗费的时间，也就是数据读取的时间。

那么该如何选择磁盘呢？我们应该从如下几个方面来考虑：

  1. 单盘容量尽量大。
  2. 数据传输速度尽量快，这个取决于磁盘主轴转动速度，以及数据存储在磁盘表面的密度，一般来说，这个并不会成为我们的瓶颈。
  3. 访问时间尽量够快。
  4. 主轴转速尽量快，根据上面的介绍，磁盘的转速会影响到数据的访问时间和读取时间。
  5. 还有一个就是磁盘的物理尺寸。这个也好理解，磁盘越小，数据读取速度肯定越快。不过一般来说，磁盘越小，意味着存储空间可能也会变小，这就和第一点相悖了，在实际选择中需要权衡。

2.RAID

独立硬盘冗余阵列（RAID, Redundant Array of Independent Disks），以前也叫廉价磁盘冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks），简称磁盘阵列。RAID 利用虚拟化存储技术把多个硬盘组合起来，成为一个或多个硬盘阵列组，目的为提升性能或实现数据冗余，或是两者同时提升。

在具体运行中，RAID 层级不同，资料也会以多种模式分散于各个硬盘，RAID 层级的命名会以 RAID 开头并带数字，例如：RAID0、RAID1、RAID5、RAID6、RAID7、RAID01、RAID10、RAID50、RAID60，每种层级都有其理论上的优缺点，不同的层级在数据冗余和性能提升两个目标间获取平衡。

简单来说，RAID 把多个硬盘组合成为一个逻辑硬盘，因此，操作系统只会把它当作一个实体硬盘。RAID 常被用在服务器电脑上，并且常使用完全相同的硬盘作为组合，由于硬盘价格的不断下降同时 RAID 功能更加有效地与主板集成，这使得 RAID 成为普通用户的一个选择，特别是需要大容量存储空间的工作使用 RAID 就特别合适，如：视频与音频制作。

我们来看看几个常见的 RAID 层级：

RAID0

RAID0 亦称为数据条带，它将两个以上的磁盘并联起来，成为一个大容量的磁盘。在存放数据时，分段后分散存储在这些磁盘中，因为读写时都可以并行处理，所以在所有的级别中，RAID0 的速度是最快的（想当于可以同时读取两个磁盘）。但是 RAID0 既没有冗余功能，也不具备容错能力，如果一个磁盘（物理）损坏，所有数据都会丢失，RAID0 也是实现成本最低的 RAID 模式。在一些不担心数据丢失的场景下（例如数据备份），可以使用 RAID0。

RAID1

两组以上的 N 个磁盘相互作镜像，在一些多线程操作系统中能有很好的读取速度，理论上读取速度等于硬盘数量的倍数，与 RAID 0 相同，另外写入速度有微小的降低（因为要写到两个磁盘上去）。RAID1 只要一个磁盘正常即可维持运作，可靠性最高。

其原理为在主硬盘上存放数据的同时也在镜像硬盘上写一样的数据，当主硬盘（物理）损坏时，镜像硬盘则代替主硬盘的工作。因为有镜像硬盘做数据备份，所以 RAID 1 的数据安全性在所有的 RAID 级别上来说是最好的。但无论用多少磁盘做 RAID 1，仅算一个磁盘的容量，所以它又是所有 RAID 中磁盘利用率最低的一个级别。RAID 1 可以在不影响性能的前提下，最大限度保证系统的可靠性和可修复性。

如果用两个不同大小的磁盘建 RAID 1，可用空间为较小的那个磁盘，较大的磁盘多出来的空间也可以分割成一个区来使用，不会造成浪费。

RAID5

RAID5 也称之为分布式奇偶校验磁盘阵列，这种方式通过分布式奇偶校验块把数据分散到多个磁盘上，这样如果任何一个盘数据丢失，都可以从奇偶数据校验块中重建。但是如果是两个盘的数据丢失，则整个数据卷就无法恢复了。

RAID10

RAID 10 是先分割数据再镜像。首先将所有硬盘分为两组，先对磁盘做 RAID1，然后再对两组 RAID1 的磁盘做 RAID 0，所以它的读写性能都比较好。

RAID 01 则是跟 RAID 10 的程序相反，先对磁盘做 RAID0，再做 RAID 1。

当 RAID 10 有一个硬盘受损，其余硬盘会继续运作，而 RAID 01 只要有一个硬盘受损，同组 RAID 0 的所有硬盘都会停止运作，只剩下其他组的硬盘运作，可靠性较低。因此，RAID 10 比 RAID 01 常用，零售主板绝大部分支持 RAID 0/1/5/10，但不支持 RAID 01。

那么选哪种呢？下面这张表比较了不同 RAID 层级各自的特点：

3.固态硬盘

固态硬盘不需要多说，相比于传统的机械硬盘有如下三个优势：

  1. 没有机械结构，不怕震动（震动有可能让磁头撞到碟片上划花碟片导致损坏）。
  2. 没有寻道过程，因此读写文件的延迟更低。
  3. 连续读写文件的速度一般比机械硬盘快。

目前SSD的主流接口分为，SATA 3.0、M.2、PCI-E 三种，U.2 和 mSATA 目前并不多见。

SATA 和 M.2 或 PCI-E 的主要区别在于二者采用不同的通道：PCI-E 通道的汽车就像是在高速上行驶，而 SATA 通道的汽车就像是在崎岖山路上行驶，你说哪个速度快？

下面这张表格描述了不同接口的传输速率：

相比于机械硬盘，固态硬盘具有更好的随机读写功能，顺序读写其实机械硬盘也不差，但是随机读写就会差很多，而数据库操作中，随机读写又很重要，所以固态硬盘的优势明显。

4.网络存储

网络存储其实不太适合存储数据库文件，光是网络延迟就够令人崩溃了。不过如果想存放数据库备份文件，倒是可以用网络存储。另外就是需要注意数据库服务器的带宽要够用，别上面的东西整了一大堆，最后服务器带宽 128KB。。。

参考资料：

  1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/19592076
  2. https://ssd.zol.com.cn/676/6766649_all.html
存储 数据备份 数据库 sql

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