服务器磁盘 IO 性能优化指南

一、RAID 级别选型

RAID 级别直接影响磁盘的读写性能和容错能力：

1. RAID 0

   • 原理：数据条带化（$D = D_1 \oplus D_2 \oplus \cdots \oplus D_n$）
   • 优势：读写速度最快（理论值 $S_{\text{read}} = n \times S_{\text{disk}}$）
   • 缺点：无冗余，单盘故障导致数据全损
   • 适用场景：临时数据处理/日志服务器

2. RAID 10

   • 原理：镜像+条带化（$D = (D_{a1} \parallel D_{b1}) \oplus (D_{a2} \parallel D_{b2})$）
   • 优势：读写性能优异，支持 $n/2$ 盘故障
   • 缺点：磁盘利用率仅 50%
   • 适用场景：数据库/虚拟化平台

3. RAID 5/6

   • 原理：分布式校验（$P = D_1 \oplus D_2 \oplus \cdots \oplus D_{n-1}$）
   • 优势：平衡性能与容量（利用率 $1-1/n$）
   • 缺点：写性能受校验计算拖累
   • 选型建议：
     • RAID 5：适合读密集型业务
     • RAID 6：高可靠性需求场景

决策矩阵：
$$ \begin{cases} \text{性能优先} & \rightarrow \text{RAID 0/10} \ \text{容量优先} & \rightarrow \text{RAID 5} \ \text{容灾优先} & \rightarrow \text{RAID 6/10} \end{cases} $$

二、IO 调度算法调整

Linux 内核调度算法直接影响 IO 请求处理效率：

优化步骤：

1. 查看当前算法：

   cat /sys/block/sda/queue/scheduler
   

2. 临时切换（例）：

   echo deadline > /sys/block/sda/queue/scheduler
   

3. 永久配置：
   在 /etc/default/grub 添加 elevator=deadline

三、缓存配置策略

1. 操作系统级缓存

• Page Cache：
  通过调节 vm.dirty_ratio（默认20%）控制脏页刷新阈值：

  sysctl -w vm.dirty_ratio=10  # 降低写延迟
  

• Direct IO：
  绕过缓存直接读写，适合自建缓存的数据库：

  open(file, O_DIRECT);  // C语言示例
  

2. 磁盘控制器缓存

• Write-Back Cache：
  • 原理：数据先写入缓存再异步落盘
  • 风险：需配合BBU防止断电丢数据
• Read-Ahead：
  调整预读大小提升顺序读性能：

   blockdev --setra 8192 /dev/sda  # 设置8MB预读
  

3. 应用层缓存

• 数据库：调整 InnoDB Buffer Pool (MySQL)
• 文件系统：XFS 对大文件更友好

综合优化建议

1. 监控工具：
   • iostat -x 1 观察 $ \text{%util} > 80% $ 的磁盘
   • iotop 定位高IO进程
2. 组合策略：
   • 数据库服务器：RAID 10 + deadline + 32GB Buffer Pool
   • 视频存储：RAID 6 + XFS + 大预读值
3. 避坑指南：
   • RAID 5 避免使用 SMR 磁盘
   • Write-Back 必须启用 BBU 保护
   • 虚拟机环境优先选用 noop 调度器

最终性能提升公式：
$$ \Delta P = k_{\text{raid}} \times \eta_{\text{sched}} \times \sqrt{C_{\text{cache}}} $$ 其中 $k_{\text{raid}}$ 为RAID系数，$ \eta_{\text{sched}} $ 为调度效率，$ C_{\text{cache}} $ 为缓存命中率。