ディスク I/O の概念

理解のために小咄形式でまとめました。

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登場人物

場面：オフィスの休憩室
太郎がコーヒーを片手に花子のデスクへ向かう

太郎：「花子先輩、ディスク I/O のパフォーマンスについて勉強してるんですが、いまいち理解できなくて…。ディスク I/O について教えてもらえませんか？」

花子：「いい質問ね。ディスク I/O のパフォーマンスを評価するときは、いくつかの重要な概念を押さえておく必要があるのよ。」

花子：「まずは、I/O にかかる時間について考えましょう。I/O の時間は、主に次の３つに分けられるの。」

I/O待ち時間（I/O Wait Time）
- 「ディスクが他のリクエストを処理している間、キューで待機している時間。」
I/Oサービス時間（I/O Service Time）
- 「実際にディスクがデータを読み書きしている時間。」
I/O要求時間（I/O Request Time）
- 「I/O のリクエストを出してから完了するまでの時間。つまり 待ち時間 + サービス時間 の合計。」

太郎：「なるほど。I/O って単純にデータの読み書きだけじゃなくて、待ち時間も影響するんですね。」

花子：「次に タイムスケール の話ね。ディスク I/O のパフォーマンスは ミリ秒 や マイクロ秒 の単位で考えるの。例えば…」

「だから、SSD は HDD に比べて I/O の速度が格段に速いのよ。」

太郎：「そういえば、データベースのサーバーでは SSD を使うことが多いですよね。」

花子：「次は キャッシング の話ね。キャッシュを活用することで、ディスク I/O のレイテンシ（遅延）を減らせるの。」

「例えば、OS には ページキャッシュ という仕組みがあって、最近使ったデータを RAM に保存しておくの。これで頻繁にアクセスされるデータの I/O を減らせるのよ。」

太郎：「じゃあ、RAM のサイズが大きいほうが、キャッシュヒットしやすくなってパフォーマンスが上がるってことですね！」

花子：「ディスクのアクセスには ランダム I/O と シーケンシャル I/O という２種類があるの。」

シーケンシャル I/O（Sequential I/O）
- 「データが連続して配置されていて、一度に大量のデータを読み書きするパターン。HDD でも SSD でも高速。」
ランダム I/O（Random I/O）
- 「データがディスク上のバラバラな場所にあって、ランダムにアクセスするパターン。特に HDD では遅くなる。」

「HDD の場合、ディスクの 回転 と 磁気ヘッドの移動 に時間がかかるから、ランダムアクセスが遅くなるのよ。逆に SSD はヘッドの移動がないから、ランダムアクセスも高速。」

太郎：「データベースのインデックス検索みたいな処理は、ランダム I/O が多そうですね。」

花子：「その通り！だから、データベースを高速化するには インデックスをメモリに載せる とか SSD を使う といった対策が有効なの。」

花子：「I/O のパフォーマンスを測る指標に IOPS というのがあるの。」

「HDD は IOPS が低いけど、1回の I/O で 大きなデータサイズ を扱えば効率的に使えるの。一方、SSD は 小さいデータ を大量に扱うランダム I/O に強い。」

太郎：「ってことは、大きいファイルを連続で書き込む処理なら HDD でも問題ないってことですね。」

花子：「ここまでの話を現実世界で考えてみると、こういうイメージね。」

I/O待ち時間 → レジの行列待ち
「スーパーで買い物するとき、レジが混んでたら並ぶよね？これが I/O待ち時間。」
I/Oサービス時間 → レジでの会計時間
「自分の番がきたら会計する。この時間が I/Oサービス時間。」
キャッシュヒット → ポケットの小銭
「会計時に ちょうどの金額 をポケットから出せればすぐ終わる（キャッシュヒット）。でも、財布から探すと時間がかかる（キャッシュミス）。」
シーケンシャル I/O → ベルトコンベア方式のレジ
「流れ作業で商品を順番に処理すれば速い。これがシーケンシャル I/O。」
ランダム I/O → 商品を探し回る買い物
「店内で欲しいものをあちこち探してると時間がかかる。これがランダム I/O。」

花子：「ディスク I/O のパフォーマンスを理解するには、待ち時間やキャッシュ、I/O の種類を意識するのが大事よ。」

太郎：「ありがとうございます！待ち時間やキャッシュを意識して勉強してみます！」

参考リンク

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システムパフォーマンス関連記事は、以下の書籍を参考に記述しています。