数据库存储I/O类型分析与配置

存储设备作为数据的容器，为应用提供数据存取服务，而存储系统将数据展现给不同的应用后，应用程序对数据访问不尽相同。简要来说，就是读和写，更加细分的话是以不同的传输单元（I/O大小）进行顺序和随机类型的读写。不同应用的I/O访问差异，直接决定了存储系统对它们的服务方式的不同，了解主流应用的I/O访问类型，是存储性能规划和调优的基础。

本文作主流数据库系统的存储I/O访问类型与配置首篇，罗列了MS SQL Server相关，作者所能收集到的SQL Server I/O访问类型与特点，具体到不同的操作的I/O与配置文档列表，供读者查阅和参考。

SQL Server运行过程中，会不断与存储端做交互，但不是每一个操作都会产生存储I/O。鉴于SQL Server会直接使用主机内存作为缓存，所以在SQL Server中，对数据的读写又分为SQL Server自身缓存中进行的Logical I/O和实际与存储系统交互的Physical I/O。本文所描述的存储I/O，即SQL Server中实际与存储交互的Physical I/O操作。在讨论SQL Server的I/O类型之前，我们先看一下SQL Server在哪些情况下会产生存储I/O（Physical
I/O）：

• SQL Server内存中没有缓存的数据，第一次访问数据需要从数据文件中加载的时候。

• 任何数据库插入、更新、删除提交之前，把日志记录写入日志文件的时候。对于Select类似的读操作，如果数据在主机内存中有缓存，则不会产生存储I/O。

• SQL Server进行Checkpoint的时候，将缓存中的数据写入数据文件时候。

• 当SQL Server缓存存在压力，触发Lazy Write将页面刷新到存储设备的时候。

• 执行特殊操作，例如CHECKDB、Reindex、Update Statistics、数据备份的时候。

SQL Server对存储中I/O操作是以8KB的页面为最小处理单位。因为SQL Server只能运行在Windows服务器上，而Windows的I/O大小与类型直接由应用发起来决定。所以，SQL Server的I/O类型与大小会相对比较固定。下表中我们给出SQL Server不同类型的操作所对应的I/O类型与大小：

SQL Server操作	随机/顺序	读/写	I/O大小
OLTP – 日志	顺序	写（除了恢复的时候）	512 bytes – 64KB，平均8-9.5KB
OLTP – 数据	随机	读/写	8KB – 64KB
Bulk Insert	顺序	写	大多数8KB，最大128KB
Read Ahead （DDS、Index Scan）	顺序	读	大多数8KB，最大256KB
备份	顺序	读/写	1MB
恢复	顺序	读/写	64KB
Reindex	顺序	读/写	多数是8KB，最大256KB
创建数据库	顺序	写	512KB

由上表可见，SQL Server的主要操作多以8KB的I/O大小为主，而某些顺序I/O类型的操作，会使用比较大的I/O大小，原因可想而知：为了提供更大的Throughput。SQL Server的读I/O基本只位于数据文件所在的LUN上面。SQL Server中的写I/O分为两种，数据文件与日志文件，这些写I/O的数目，则完全取决于数据更新的频率。

SQL Server对于不同类型的I/O，每次进行实际操作I/O大小会存在少量差异。 例如对于表的索引查询，绝大多数以8KB为单位，而像一些整表查询，则可能以64KB甚至更大的单位比较多。至于何时会使用多大的I/O，没有一个绝对的情况。只能说取决于SQL Server的内部机制，作者也没有找到相应的资料来描述这种行为。

表中的读/写一栏显示了I/O读与写的重点。表中没有列出读/写比例，是因为这个比例则需要根据应用而定，不同的应用之间差别比较大。

根据表中的I/O类型与特点，总结几点存储的配置建议：

• SQL Server的不同数据文件，如果分散存放在不同的LUN上，可以使得SQL Server的读写I/O由若干个LUN共同完成，达到并发处理的效果，提升性能。

• 衡量SQL Server的OLTP和OLAP（DDS）存储性能的指标是不同的，前者看中的IOPS，而后者则是Throughput，所以规划的重点也不尽相同。（参考：论存储IOPS和Throughput吞吐量之间的关系）

• 鉴于SQL Server不同操作，读/写的重点的不同，理解通用RAID的类型的写惩罚机制，对规划数据文件和日志文件存储，选取合适的RAID保护级别会有比较大的帮助。（参考：浅谈RAID写惩罚（Write
  Penalty）与IOPS计算）

• 根据所使用的存储阵列的特点，参考厂商所提供的存储阵列配置文档，根据情况启用适当的存储功能，例如配置Write Cache/Read Cache的比例，使用FAST等技术实现存储分层都是针对SQL Server存储配置中可以参考的技术实现。

• 配置存储过程中，建议使用合适的工具对磁盘进行压力测试，根据实际应用情况模拟存储I/O，检验存储的性能是否满足需求。

综上所述，本文的内容总结为以下几点：

• 虽然SQL Server主机的内存大小会决定存储I/O的数量，缓存页面的数量越多，就越能减少存储端发生的读I/O数目。但是如果存储读性能够好，同样可以缓解SQL Server端的缓存压力。所以，在SQL Server本身存储I/O数量不能继续优化的情况下，利用存储来提升性能是可选方案。

• SQL Server写I/O的数目，完全取决于数据的更新频率，如果数据更新频繁，日志文件存储的LUN会受到比较大的压力。 同理，使用写入性能够好的存储，用作日志文件的部署，可以很大程度提升整体SQL Server的存储性能。另外，适当RAID配置，以及启用一些存储端功能，例如调整写缓存的比例，FAST分层存储等等，也不同程度帮助写I/O提高存储响应速度。

• 对于SQL Server的存储配置没有一劳永逸的做法，而且数据库系统的高定制化特点决定了服务于不同应用系统的存储I/O访问类型会有很大区别。DBA和存储管理员需要根据自身应用的特点，结合观察数据库系统的存储行为，参考文本中给出的数据与配置文档，结合实际应用的存储负载才能更好的完成存储规划与性能调优，从而满足应用与数据库的应用需求。

最后，作为一篇整理与总结的文章。本文试图收集更多的参考资料，用来描述主流数据库系统 MS SQL Server的I/O类型，并给出配置的建议与参考文档。由于信息来源于网络与其他厂商的官方文档。内容整理可能存在缺失与不准确，如果有任何遗留或者错误，希望广大读者指正。