《高性能Mysql》- 操作系统和硬件优化

Mysql服务器性能受制于整个系统最薄弱的环节，承载它的操作系统和硬件往往是制约因素。根据不同的应用类型，计算密集型应用往往受限于CPU；IO密集型应用则容易受限于IO；可以通过CPU利用率判断应用是否为CPU密集型。

一、CPU之于性能

市面上的CPU通常是Intel或者AMD芯片的x86架构，64位架构；确保在64位硬件上采用64位操作系统，32位操作系统意味着单个进程不能寻址4G以上内存。比如4核CPU，并非4个核心有相同的运算能力，当只使用一个核心时，运行速度更快。

1.1 更快的CPU vs更多CPU

更快的CPU意味着低延迟，单个查询只能使用一个CPU；CPU主频提升得益于直接内存连接，PCIe闪存，操作系统改进，如对超线程对感知：知道什么时候执行单元是闲置的。

多核CPU意味着吞吐量的提升，可以同时运行多个查询，或者用额外CPU为后台任务服务；每个服务器有多个socket，每个socket可以有一个多核CPU，每个核心有多个硬件线程。多核CPU对复制用处不大，主库上的并发任务传递到备库就被简化为串行。多核CPU适用于OLTP联机事务处理，如web服务从多个连接发起请求，适合多个CPU运行。

查询响应时间分为执行时间和等待时间，等待包括在运行队列等待，锁等待，磁盘/网络等待；如果是等待锁则需要更快的CPU，对于运行队列等待，更快或更多的CPU都有帮助。

二、IO之于性能

2.1 平衡内存与磁盘资源

计算机的存储金字塔：cpu寄存器 - cpu缓存 - 内存 - 磁盘，越靠近顶端则越小、越快也越贵。cpu寄存器和cpu缓存对程序猿不可见；如果比喻成带抽屉的桌子，桌面是内存，存取更加方便；抽屉是磁盘。通常把热点数据放在内存；如何预测热点数据，也就是预读，基于空间时间的局部性原理，最近被使用的数据可能被再次使用，相邻数据可能再次使用。

随机IO与顺序IO

磁盘每秒可以执行100个随机IO，可以执行50M的顺序IO；如果每行100个字节，那么每秒钟随机IO可以读取10K，顺序IO可以读取50M，是随机IO的5000倍。内存每秒可以执行250000个随机IO，可以执行5000000个顺序IO，是随机IO的20倍；内存随机IO速度是磁盘的2500倍，顺序IO是磁盘的10倍。随机IO虽然只为查找一行数据，但需要读取一整页数据；顺序读则相当于遍历有序链表。磁盘的随机IO之所以慢是因为磁盘寻道；增加内存是解决随机IO的最好方法。

工作集

工作集是指应用程序确实要用到的数据，比如最近一小时内的工作集可能包括数据库50%的数据页面。只需要把工作集加载到内存。

硬盘

innoDB能很好的扩展到多个磁盘驱动器。选择硬盘时需要考虑：1）传输速度，取决于主轴转速和数据存储在磁盘表面上的密度，和主机系统接口的限制；2）访问时间，制约随机查找速度；3）物理尺寸，磁盘越小，移动读取磁头所需时间越短；

FlashCache

Facebook开源的一种内存、闪存、磁盘的组合方式；在内存和磁盘间加入中间层：第一层是InnoDB缓冲池；第二层是FlashCache；第三层是磁盘。基于磁盘、闪存创建块设备，闪存作为读写的高速智能缓存，弥补内存的不足；支持分区和创建文件系统。适用于IO密集型，且工作集太大，用内存优化不划算的应用；

2.2 更多关于硬盘

2.2.1 固态存储SSD

使用非易失性闪存芯片而不是磁性盘片，全称非易失性随机存取存储器；没有移动部件。解决随机读写性能差的问题；提供更好的并发支持。

闪存能够快速完成多次小单位读取，从而提高读操作的效率；但写入更加复杂，改写cell前需要擦除，擦除以512K的块为单位，操作缓慢通常需要几个毫秒，块有擦除次数限制。因此，SSD必须能搬迁页面并执行垃圾回收和磨损平衡；数据迁移中的额外写操作称为写放大。垃圾处理用来回收脏块。空闲块写入只需数百微秒，但剩余空间不足时，需要等待擦除导致速度变慢。闪存分为：1）单层单元SLC：企业级，每个单元存储一个bit；更贵更快，擦写寿命高达10万写周期，可持续使用20年。缺点是存储密度低；2）多层单元MLC：消费级，每个单元存储2-3个bit，存储密度更高；成本/速度/耐擦写都下降。

固态存储分为：1）固态硬盘SSD：提供兼容性功能，实现SATA串行高级技术附件，可直接插入现有插槽；提供写缓存来缓冲写入。2）PCIe卡：没有尝试应用SATA模拟硬盘驱动器，该接口不能完全发挥闪存的性能。PCIe更适用高性能需求。缺点是贵。使用操作系统驱动程序，把存储设备作为块设备输出。

2.2.2 RAID磁盘冗余阵列

RAID把小磁盘组合起来，包括传统磁盘和固态存储SSD，提供分布负载机制，由此达到提供冗余、扩展容量的目的。此外，RAID控制器提供带电池保护的写缓存，即使断电缓存中的数据也不会丢失。虽然RAID提供冗余，但仍需要监控磁盘失效及缓存电池：在磁盘数量多的时候，推荐设置热备盘，在有磁盘损害时启用；缓存电池失效时应该禁用缓存。

RAID级别包括：1）RAID 0，没有冗余，适用于备库；0表示损坏概率高于单块磁盘；2）RAID 1: 适用于只有两块硬盘又想做冗余的低端服务器；3）RAID 5: 如果两块磁盘不满足存储容量，则考虑RAID 5；通过分布奇偶校验把数据分散在多个磁盘，任何一个盘的数据失效，都可能在奇偶校验块恢复。4）RAID 10: 由分片镜像组成；相比RAID 5来说重建更加简单；5）RAID 50：条带化的RAID 5组成，适合用作数据仓库或庞大的OLTP系统。