Performance Monitor4：监控SQL Server的IO性能

2022-09-28 11:25:59

SQL Server数据库系统的IO性能受到物理硬盘的IO延迟和SQL Server请求执行的IO操作的影响。在监控硬盘性能时，主要的度量值（metric）是IO延迟，IO延迟是指从应用程序创建IO请求，到硬盘完成IO请求的时间延迟。如果物理硬盘不能及时完成IO请求，跟不上请求负载的速度，那么SQL Server就容易出现性能问题。SQL Server内部在执行一些特定的操作时，会和硬盘做读写交互，这也会影响物理硬盘响应SQL Server的IO请求的性能，使查询进程处于PageIOLatch或WriteLog等待。

一，使用性能计数器（Performance counter）监控硬盘 IO

首先要了解操作系统的存储管理，硬盘在操作系统分为：物理硬盘（Physical Disk）和逻辑硬盘（Logical Disk）。Windows可以在一个Physical Disk上划出若干个逻辑分区，每一个逻辑分区是一个Logical Disk。对于分配在同一个Physical Disk上的Logical Disks，其读写操作共享Physical Disk的IO带宽。Windows给每一个Logical Disk分配一个盘符，App通过盘符来读写数据。

对应地，硬盘的性能有两组计数器：Logical Disk 和 Physical Disk，其中逻辑硬盘是物理硬盘的逻辑分区：

Logical Disk 计数器按照逻辑分区记录每个逻辑分区的读写IO信息，由于App通过盘符来读写数据，通过logical Disk 计数器可以了解不同App向不同盘符发出的读写请求有多少。
Physical Disk 计数器是按照物理磁盘，记录每一个物理磁盘的读写IO，如果该物理硬盘上有多个逻辑分区，那么把所有逻辑分区的IO加和到一起，统计物理硬盘的IO性能，监控硬盘的响应速度，能够真正了解硬件的实际IO量。推荐监控某一块Physical Disk，而不要粗暴地监控所有的物理硬盘，多数情况下，一块Physical Disk的IO很忙，而其他Physical Disk很空闲，原因是数据库文件分布的逻辑硬盘是同一块物理硬盘，导致单块物理硬盘需要处理的IO请求过多，为了避免这种情况的发生，需要把数据库文件均匀分布在不同的物理硬盘上。

那么，Windows性能监控器都有哪些硬盘的性能计数器了？

1，Disk Queue Length

硬盘队列长度是等待被Physical Disk处理的IO请求的数目。如果一个App发出一条读请求，但是目标Disk正在处理其他IO Task，那么这个新的请求就会被放在Disk queue中，Disk queue Length就是1，硬盘的请求队列的长度，能够衡量硬盘的工作负载，队列长度越长，说明硬盘接收到的IO请求越多，完成一次IO请求需要的处理时间就越长，从一定程度上表明，硬盘性能不能满足业务的需求了。

Avg. Disk Queue Length
Avg.Disk Read Queue Length
Avg.Disk Wirte Queue Length
Current Disk Queue length

2，传输（Transfer）时间

Transfer是Disk 的一次完整的I/O动作，表示从寻道，读写数据，到传输完成。在统计时，Transfer 是 Read 和 Write的加和。

Avg. Disk sec/Transfer ：磁盘每一次读写所用的平均时间。
Disk Transfers/sec ：磁盘每秒处理的读写次数。
Avg.Disk Bytes/Transfer：Disk 每次IO传送的Bytes数

3，读写时间百分比

硬盘的工作时间（elapsed time）是指硬盘用于执行read/write操作的时间

% Disk Time：硬盘的工作时间（ elapsed time）和处理IO请求的总时间的比值。
% Disk Read Time
% Disk Write Time
% Idle Time

4，IO拆分

一次IO拆分成多次IO来实现，IO拆分的原因是文件出现碎片，一次IO请求读取的非连续的数据段，那么硬盘子系统会把该请求分成多次执行，测量IO拆分的比例能够反映文件存储的分散程度。

还有一个原因会导致IO拆分，这就是一次读取的数据过大，导致无法通过一次IO请求返回，这就需要把IO请求拆分成多次。

Split IO/Sec reports the rate at which I/Os to the disk were split into multiple I/Os. A split I/O may result from requesting data of a size that is too large to fit into a single I/O or that the disk is fragmented.

二，在系统级别监控物理Disk的IO性能

使用性能监控器来侦测IO性能，用于监控IO性能的计数器主要是物理硬盘的读写：

Physical Disk\Disk Reads/sec
Physical Disk\Disk Writes/sec

这两个计数器的性能指标：

<10 ms 没有性能问题
10~20ms 存在问题
20~50ms 性能较低
>50ms 存在严重的性能问题

1，监控物理Disk的IO延迟

在Windows级别上对Physical Disk的IO延迟进行分析，主要依赖于Performance Monitor的计数器，衡量物理Disk的IO延迟的计数器主要有三个：

Avg. Disk sec/Transfer：Disk每一次读写操作所用的平均时间
Avg. Disk sec/Read：Disk每一次读操作所用的平均时间
Avg. Disk sec/Write：Disk每一次写操作所用的平均时间

avg.Disk sec/(Transfer,Read,Write)，能够很好的反映Disk的IO速度，推荐的衡量Disk的IO速度的基线（baseline）:

很快：<10ms
一般：10-20ms
有点慢：20-50ms
非常慢：>50ms

2，分析Data Collector收集的计数器数值

下图是产品环境中一台Server的计数器数值图表，将IO延迟的度量值按比例放大1000倍，这样图表显示的单位就是ms。

%Idle Time：在60%左右浮动，说明Disk不是很忙碌
Avg.Disk sec/Write：大多数情况下都是10ms以下，偶尔波动，说明Disk的写延迟比较低
Avg.Disk sec/Read：读延迟大多数情况下都是在40ms以上，鲜有低于40ms，偶尔达到峰值，说明Disk的读延迟非常高
Avg.Disk sec/Transfer：读写延迟的均值在30ms左右，时有波动，在%Idle Time曲线不波动时，Disk的读写延迟也有波动，说明Disk的读写延迟不稳定

初步判断，Disk的读写延迟非常高，Disk的IO性能较差，IO速度慢

3，监控物理Disk的IO次数

根据Disk的IO次数来界定Disk性能，没有统一的阈值，一般通过监控计数值来获取一个趋势，设置一个基线，如果在Disk比较忙碌时，遇到异常的谷值，那么就需要查看是否出现参数嗅探问题和Disk IO密集的查询，异常的谷值一般是由查询语句请求的数据量太多造成的，需要对查询语句进行性能调优。

系统级经常用到的Disk性能计数器是PhysicalDisk计数器：

Avg. Disk Queue Length ：提供Disk阻塞程度的主要度量值，表示在 sample interval期间，Disk等待处理的IO请求队列的平均长度，即等待被Disk处理的IO请求的数量
% Idle Time：Disk的空闲程度，可以反推出Disk的忙碌程度
Disk (Reads/Writes/Transfers)/sec：每秒Disk执行读写操作数量

队列长度波动很大，在%Idle Time 升高时，IO数量降低，没有发现明显的异常谷值。

4，监控物理Disk读写的数据量

这几个计数值，对监控物理Disk的读写性能，意义不大，仅仅作为参考。

Avg.Disk Bytes/(Read,Write,Transfer)表示：在物理Disk执行读写操作时，物理Disk从Disk读取到内存的字节数量，从内存写入到Disk的字节数量，以及两者的总字节数量
Disk Bytes/sec：在物理Disk执行读写操作时，数据从Disk传输到内存，或从内存写入到Disk的字节速度，好的Disk，其值在20-40MB之间，一般Disk，其值在20MB以下

三，SQL Server内部操作对Disk IO性能的影响

SQL Server能够缓存从Disk加载的数据页，正常情况下，大部分操作不需要任何物理读操作，不需要Disk的物理IO参与就能完成，但是，有一些操作，必须和物理Disk进行IO操作，才能完成。SQL Server和物理Disk进行IO交互的操作：

对于内存中没有缓存的数据，次访问时，需要将数据从数据文件读取到内存中，SQL Server访问的任何数据必须缓存到内存中，如果不在内存中，SQL Server发送读请求，将数据页从物理Disk读取到内存中，这个过程叫做物理读；如果数据存在于内存中，SQL Server直接访问，这个过程叫做逻辑读。
在任何修改操作提交之前，预写事务日志记录到日志文件，在CheckPoint和LazyWriter运行时，数据被写入数据文件。
执行CheckPoint时，将缓存中的脏页写入数据文件，脏页是指载入内存之后被修改过的数据页，内存中的数据和数据文件中的数据不一致，由CheckPoint触发的物理写操作和内压没有关系，和用户修改的数据量有关，用于控制还原的时间间隔。
当Buffer Pool空间不足，Free Buffer List减少到临界值时，LazyWriter进程主动将内存中的一些很久没有访问过数据页面和执行计划清空，如果数据页面是脏页，那么将其写入到数据文件，LazyWriter和内存压力有关，由于内存可用的Free Buffer不足导致LazyWriter进程执行清理操作。
IO密集型操作，比如检查数据库的一致性（DBCC CheckDB），重建索引，更新统计信息，数据库备份等，会带来大量的Disk IO操作

SQL Server只会读取数据文件，只要数据缓存在内存中，理想情况下，SQL Server不会执行任何物理读操作，也不需要从物理Disk加载数据到内存，SQL Server执行读取操作性能和内存的缓存能力有直接关系，也和用户读取的数据量有关。

SQL Server的写操作分为写数据文件和写日志文件。写入日志文件的数据量，完全由数据修改量决定，和内存压力没有关系；写入数据文件的数量，主要和修改量有关。LazyWriter和内存压力有关系，一旦内存有压力，LazyWriter自动启动，负责清理久未被访问的缓存，释放内存，增加可用的Free buffer数量。

因此，SQL Server请求的物理Disk的读操作数量和内存有直接关系，内存越充足，缓存的数据量越多，物理Disk的读操作的数量就会越少，逻辑读的数量不会减少；SQL Server请求的物理Disk的写操作数量和用户执行的数据修改量有直接关系，和内存是否存在压力关系很微小。在执行物理disk的读写请求时，SQL Server的查询进程产生PageIOLatch等待，表示进程正在执行物理读操作，该等待可以从DMV：sys.dm_exec_requests 查看到：

select  r.session_id,
        r.blocking_session_id as blocking,
        r.wait_type as Current_Wait_Type,
        r.wait_resource, 
        r.last_wait_type,
        r.wait_time,
        r.status,
        r.command,
        r.cpu_time,r.reads,r.writes,r.logical_reads,
        r.total_elapsed_time,
        r.start_time,
        db_name(r.database_id) as database_name,
        SUBSTRING(  st.text, 
                    r.statement_start_offset/2+1,
                    (    CASE WHEN r.statement_end_offset = -1 
                                THEN LEN(CONVERT(NVARCHAR(MAX), st.text))
                            ELSE (r.statement_end_offset - r.statement_start_offset)/2
                        END 
                    )
                ) as IndividualQueryStatement
from sys.dm_exec_requests r
outer APPLY sys.dm_exec_sql_text(r.sql_handle) as st
where (r.wait_type<>'MISCELLANEOUS' or r.wait_type is null)
    and r.session_id>50
    and r.session_id<>@@spid