计算机资源——空间与时间关系(一)

计算机由cpu、内存、硬盘三个重要硬件构成，cpu是计算资源，属于时间资源，内存和外部存储（硬盘等）属于空间资源。在计算机中，我们知道速度最快的是cpu，cpu由控制单元、运算单元、时钟组成。cpu寄存器阵列实际上相当于处理器内部存储器，寄存器容量非常小，仅用于临时存储计算数据所用，它的存储速度最快。
我们大家知道，cpu速度相对磁盘来说，相差非常大，因此cpu是不能直接从硬盘读取数据的，必须先把数据从磁盘读取到内存之后，cpu才能对内存中的数据进行操作，内存的速度比磁盘快很多，但是要比cpu慢。我们可以看见，速度从慢到快的顺序来排列为：磁盘-内存-cpu。
从目前的情况来看，每隔一段时间，cpu的运算速度便会大幅度提升，但是内存和磁盘（特别是磁盘）的速度一直没有多大提升。因此在我们的系统中，经常发现的系统瓶颈出现在磁盘上。如果磁盘、内存速度和cpu速度一样快，那么我们工作中很多问题就很简单了，但是事实却是相反，因此我们有必要深入了解时间与空间的关系，在这个基础上进行架构设计、软件设计以及维护，能够起到事半功倍的效果。
我们来看一个例子，具体情况如下：
我们发现一台数据库服务器平时服务正常，但是在某些时间点上出现磁盘I/O大，cpu消耗高，内存正常的现象，我们需要分析该情况是如何产生的，
top - 17:15:17 up 42 days, 15:35, 1 user, load average: 0.05, 0.12, 0.09
Tasks: 72 total, 1 running, 71 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
Cpu(s): 80%us, 1.3%sy, 0.0%ni, 95.3%id, 80%wa, 0.0%hi, 0.1%si, 0.0%st
Mem: 3370252k total, 1945540k used, 1424712k free, 184296k buffers
Swap: 4000144k total, 44k used, 4000100k free, 1399408k cached

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
3882 mysql 15 0 706m 264m 4836 S 99 8.0 5002:10 mysqld
1 root 16 0 1948 664 564 S 0 0.0 0:01.84 init
2 root RT 0 0 0 0 S 0 0.0 0:00.14 migration/0
3 root 34 19 0 0 0 S 0 0.0 0:00.02 ksoftirqd/0
4 root RT 0 0 0 0 S 0 0.0 0:00.05 migration/1

我们从该服务器上看到的情况如上，我们会立刻联想，磁盘I/O大，那一定是有数据写入或者进行数据备份。但是检查数据备份之后，我们排除了数据备份的可能性。那么一定是有数据写入，我们通过iostat来查看数据写入情况，却发现
evice: tps Blk_read/s Blk_wrtn/s Blk_read Blk_wrtn
sda 1.88 4.83 29.50 17818614 108735184

avg-cpu: %user %nice %system %iowait %steal %idle
0.00 0.00 0.50 1.74 0.00 97.77

Device: tps Blk_read/s Blk_wrtn/s Blk_read Blk_wrtn
sda 22.55 15.69 313.73 16 320
很奇怪，磁盘的写入数据非常的少，通过这点证明，我们先前的判断是有问题的。那到底是什么样的操作引起的呢？
我们来分析一下，如果是数据写入磁盘，只是将写入指令发送到磁盘，cpu使用率决不会这样高，那么是什么操作引起这么高的cpu使用率呢？一般在数据库使用中，大数据量的排序会消耗较多的cpu时间，数据库的排序buffer又分配过小，造成数据库的外排序，同时消耗cpu时间和I/O请求。通过对业务的了解，我们找到了这一现象的根源，可见，在处理实际问题中，我们需要综合考虑cpu,磁盘I/O，内存的关系，然后才能得出正确结论。