在硬盤出廠時(shí)，由硬盤生產(chǎn)商完成了低級(jí)格式化(物理格式化)，作用是將空白的盤片(Platter)劃分為一個(gè)個(gè)同圓心、不同半徑的磁道(Track)，還將磁道劃分為若干個(gè)扇區(qū)(Sector)，每個(gè)扇區(qū)可存儲(chǔ)128×2的N次方（N=0.1.2.3）字節(jié)信息，默認(rèn)每個(gè)扇區(qū)的大小為512字節(jié)。通常使用者無需再進(jìn)行低級(jí)格式化操作。
找到對(duì)應(yīng)磁道還不能馬上讀取數(shù)據(jù)，這時(shí)候磁頭要等到磁盤盤片(Platter)旋轉(zhuǎn)到初始數(shù)據(jù)塊所在的扇區(qū)(Sector)落在讀寫磁頭正下方之后才能開始讀取數(shù)據(jù)，在這個(gè)等待盤片旋轉(zhuǎn)到可操作扇區(qū)的過程中消耗的時(shí)間稱為旋轉(zhuǎn)延時(shí)(Rotational Latency)；
接下來就隨著盤片的旋轉(zhuǎn)，磁頭不斷的讀/寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，直到完成這次IO所需要操作的全部數(shù)據(jù)，這個(gè)過程稱為數(shù)據(jù)傳送(Data Transfer)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為傳送時(shí)間(Transfer Time)。完成這三個(gè)步驟之后單次IO操作也就完成了。
IOPS = 1000ms/單次IO時(shí)間
三 磁盤IOPS計(jì)算
不同磁盤，它的尋道時(shí)間，旋轉(zhuǎn)延遲，數(shù)據(jù)傳送所需的時(shí)間各是多少？
1. 尋道時(shí)間
考慮到被讀寫的數(shù)據(jù)可能在磁盤的任意一個(gè)磁道，既有可能在磁盤的最內(nèi)圈（尋道時(shí)間最短），也可能在磁盤的最外圈（尋道時(shí)間最長(zhǎng)），所以在計(jì)算中我們只考慮平均尋道時(shí)間。
在購(gòu)買磁盤時(shí)，該參數(shù)都有標(biāo)明，目前的SATA/SAS磁盤，按轉(zhuǎn)速不同，尋道時(shí)間不同，不過通常都在10ms以下：
2. 旋轉(zhuǎn)延時(shí)
和尋道一樣，當(dāng)磁頭定位到磁道之后有可能正好在要讀寫扇區(qū)之上，這時(shí)候是不需要額外的延時(shí)就可以立刻讀寫到數(shù)據(jù)，但是最壞的情況確實(shí)要磁盤旋轉(zhuǎn)整整一圈之后磁頭才能讀取到數(shù)據(jù)，所以這里也考慮的是平均旋轉(zhuǎn)延時(shí)，對(duì)于15000rpm的磁盤就是(60s/15000)*(1/2) = 2ms。
3. 傳送時(shí)間
(1) 磁盤傳輸速率
磁盤傳輸速率分兩種：內(nèi)部傳輸速率(Internal Transfer Rate)，外部傳輸速率(External Transfer Rate)。
內(nèi)部傳輸速率(Internal Transfer Rate)，是指磁頭與硬盤緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，簡(jiǎn)單的說就是硬盤磁頭將數(shù)據(jù)從盤片上讀取出來，然后存儲(chǔ)在緩存內(nèi)的速度。
理想的內(nèi)部傳輸速率不存在尋道，旋轉(zhuǎn)延時(shí)，就一直在同一個(gè)磁道上讀數(shù)據(jù)并傳到緩存，顯然這是不可能的，因?yàn)閱蝹€(gè)磁道的存儲(chǔ)空間是有限的；
實(shí)際的內(nèi)部傳輸速率包含了尋道和旋轉(zhuǎn)延時(shí)，目前家用磁盤，穩(wěn)定的內(nèi)部傳輸速率一般在30MB/s到45MB/s之間(服務(wù)器磁盤，應(yīng)該會(huì)更高)。
外部傳輸速率(External Transfer Rate)，是指硬盤緩存和系統(tǒng)總線之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，也就是計(jì)算機(jī)通過硬盤接口從緩存中將數(shù)據(jù)讀出交給相應(yīng)的硬盤控制器的速率。
硬盤廠商在硬盤參數(shù)中，通常也會(huì)給出一個(gè)最大傳輸速率，比如現(xiàn)在SATA3.0的6Gbit/s，換算一下就是6*1024/8，768MB/s，通常指的是硬盤接口對(duì)外的最大傳輸速率，當(dāng)然實(shí)際使用中是達(dá)不到這個(gè)值的。
這里計(jì)算IOPS，保守選擇實(shí)際內(nèi)部傳輸速率，以40M/s為例。
(2) 單次IO操作的大小
有了傳送速率，還要知道單次IO操作的大小(IO Chunk Size)，才可以算出單次IO的傳送時(shí)間。那么磁盤單次IO的大小是多少？答案是：不確定。
操作系統(tǒng)為了提高 IO的性能而引入了文件系統(tǒng)緩存(File System Cache)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)的情況將多個(gè)來自IO的請(qǐng)求先放在緩存里面，然后再一次性的提交給磁盤，也就是說對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)出的多個(gè)8K數(shù)據(jù)塊的讀操作有可能放在一個(gè)磁盤讀IO里就處理了。
還有，有些存儲(chǔ)系統(tǒng)也是提供了緩存（Cache），接收到操作系統(tǒng)的IO請(qǐng)求之后也是會(huì)將多個(gè)操作系統(tǒng)的 IO請(qǐng)求合并成一個(gè)來處理。
不管是操作系統(tǒng)層面的緩存，還是磁盤控制器層面的緩存，目的都只有一個(gè)，提高數(shù)據(jù)讀寫的效率。因此每次單獨(dú)的IO操作大小都是不一樣的，它主要取決于系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)讀寫效率的判斷。這里以SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)頁(yè)大小為例：8K。
(3) 傳送時(shí)間
傳送時(shí)間 = IO Chunk Size/Internal Transfer Rate = 8k/40M/s = 0.2ms
可以發(fā)現(xiàn)：
(3.1) 如果IO Chunk Size大的話，傳送時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，單次IO時(shí)間就也變長(zhǎng)，從而導(dǎo)致IOPS變小；
(3.2) 機(jī)械磁盤的主要讀寫成本，都花在了尋址時(shí)間上，即：尋道時(shí)間 + 旋轉(zhuǎn)延遲，也就是磁盤臂的擺動(dòng)，和磁盤的旋轉(zhuǎn)延遲。
(3.3) 如果粗略的計(jì)算IOPS，可以忽略傳送時(shí)間，1000ms/(尋道時(shí)間 + 旋轉(zhuǎn)延遲)即可。
4. IOPS計(jì)算示例
以15000rpm為例：
(1) 單次IO時(shí)間
單次IO時(shí)間 = 尋道時(shí)間 + 旋轉(zhuǎn)延遲 + 傳送時(shí)間 = 3ms + 2ms + 0.2 ms = 5.2 ms
(2) IOPS
IOPS = 1000ms/單次IO時(shí)間 = 1000ms/5.2ms = 192 (次)
這里計(jì)算的是單塊磁盤的隨機(jī)訪問IOPS。
考慮一種極端的情況，如果磁盤全部為順序訪問，那么就可以忽略：尋道時(shí)間 + 旋轉(zhuǎn)延遲 的時(shí)長(zhǎng)，IOPS的計(jì)算公式就變?yōu)椋篒OPS = 1000ms/傳送時(shí)間
IOPS = 1000ms/傳送時(shí)間= 1000ms/0.2ms = 5000 (次)
顯然這種極端的情況太過理想，畢竟每個(gè)磁道的空間是有限的，尋道時(shí)間 + 旋轉(zhuǎn)延遲 時(shí)長(zhǎng)確實(shí)可以減少，不過是無法完全避免的。
四 數(shù)據(jù)庫(kù)中的磁盤讀寫
1. 隨機(jī)訪問和連續(xù)訪問
(1) 隨機(jī)訪問(Random Access)
指的是本次IO所給出的扇區(qū)地址和上次IO給出扇區(qū)地址相差比較大，這樣的話磁頭在兩次IO操作之間需要作比較大的移動(dòng)動(dòng)作才能重新開始讀/寫數(shù)據(jù)。
(2) 連續(xù)訪問(Sequential Access)
相反的，如果當(dāng)次IO給出的扇區(qū)地址與上次IO結(jié)束的扇區(qū)地址一致或者是接近的話，那磁頭就能很快的開始這次IO操作，這樣的多個(gè)IO操作稱為連續(xù)訪問。
(3) 以SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)為例
數(shù)據(jù)文件，SQL Server統(tǒng)一區(qū)上的對(duì)象，是以extent(8*8k)為單位進(jìn)行空間分配的，數(shù)據(jù)存放是很隨機(jī)的，哪個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)有空間，就寫在哪里，除非通過文件組給每個(gè)表預(yù)分配足夠大的、單獨(dú)使用的文件，否則不能保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，通常為隨機(jī)訪問。
另外哪怕聚集索引表，也只是邏輯上的連續(xù)，并不是物理上。
日志文件，由于有VLF的存在，日志的讀寫理論上為連續(xù)訪問，但如果日志文件設(shè)置為自動(dòng)增長(zhǎng)，且增量不大，VLF就會(huì)很多很小，那么就也并不是嚴(yán)格的連續(xù)訪問了。
2. 順序IO和并發(fā)IO
(1) 順序IO模式(Queue Mode)
磁盤控制器可能會(huì)一次對(duì)磁盤組發(fā)出一連串的IO命令，如果磁盤組一次只能執(zhí)行一個(gè)IO命令，稱為順序IO；
(2) 并發(fā)IO模式(Burst Mode)
當(dāng)磁盤組能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)IO命令時(shí)，稱為并發(fā)IO。并發(fā)IO只能發(fā)生在由多個(gè)磁盤組成的磁盤組上，單塊磁盤只能一次處理一個(gè)IO命令。
(3) 以SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)為例
有的時(shí)候，盡管磁盤的IOPS(Disk Transfers/sec)還沒有太大，但是發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)IO等待，為什么？通常是因?yàn)橛辛舜疟P請(qǐng)求隊(duì)列，有過多的IO請(qǐng)求堆積。
磁盤的請(qǐng)求隊(duì)列和繁忙程度，通過以下性能計(jì)數(shù)器查看：
LogicalDisk/Avg.Disk Queue Length
LogicalDisk/Current Disk Queue Length
LogicalDisk/%Disk Time
這種情況下，可以做的是：
(1) 簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)邏輯，減少IO請(qǐng)求數(shù)；
(2) 同一個(gè)實(shí)例下的多個(gè)用戶數(shù)據(jù)庫(kù)，遷移到不同實(shí)例下；
(3) 同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的日志、數(shù)據(jù)文件，分離到不同的存儲(chǔ)單元；
(4) 借助HA策略，做讀寫操作的分離。
3. IOPS和吞吐量(throughput)
(1) IOPS
IOPS即每秒進(jìn)行讀寫（I/O）操作的次數(shù)。在計(jì)算傳送時(shí)間時(shí)，有提到：如果IO Chunk Size大的話，那么IOPS會(huì)變小，假設(shè)以100M為單位讀寫數(shù)據(jù)，那么IOPS就會(huì)很小。
(2) 吞吐量(throughput)
吞吐量指每秒可以讀寫的字節(jié)數(shù)。同樣假設(shè)以100M為單位讀寫數(shù)據(jù)，盡管IOPS很小，但是每秒讀寫了N*100M的數(shù)據(jù)，吞吐量并不小。
(3) 以SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)為例
對(duì)于OLTP的系統(tǒng)，經(jīng)常讀寫小塊數(shù)據(jù)，多為隨機(jī)訪問，用IOPS來衡量讀寫性能；
對(duì)于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，日志文件，經(jīng)常讀寫大塊數(shù)據(jù)，多為順序訪問，用吞吐量來衡量讀寫性能。
磁盤當(dāng)前的IOPS，通過以下性能計(jì)數(shù)器查看：
LogicalDisk/Disk Transfers/sec
LogicalDisk/Disk Reads/sec
LogicalDisk/Disk Writes/sec
磁盤當(dāng)前的吞吐量，通過以下性能計(jì)數(shù)器查看：
LogicalDisk/Disk Bytes/sec
LogicalDisk/Disk Read Bytes/sec
LogicalDisk/Disk Write Bytes/sec