为什么硬盘读写会消耗大量CPU？硬raid阵列是否会消耗CPU？

分几个情况简述一下吧：

普通机械硬盘读写：

早期的硬盘读写都是通过CPU指令执行，这种读写方式叫PIO，（Programmed input/output，可编程输入输出），大概流程是程序发起读取指令，CPU找到硬盘映射的地址D1，然后发出指令，说需要从地址D1读取若干字节写入目标地址D2；硬盘控制器根据这个指令从硬盘读取若干数据，并写入内存地址D2后，告知CPU指令执行完毕；然后CPU从内存D1读取若干字节数据——期间CPU一直在等待硬盘控制器的返回，并不能执行其它指令，除非有更高优先级的中断。很显然，这种读写模式非常占用CPU资源。在老式电脑上，PIO方式的硬盘读写往往会消耗30%甚至更多的CPU资源。

之后为了解决这个问题，硬盘读写使用了DMA模式。和PIO模式相比，只要硬盘控制器向CPU确认收到读写指令了，CPU就可以执行其它指令，直到硬盘控制器完成从硬盘读取数据到内存D2后发起中断，CPU再去处理D2里面的数据，这个过程对CPU资源的消耗很小——很显然，和PIO相比，这就是I/O方面的硬件加速：大部分的读写操作由硬盘控制器实现。当然，文件系统是软件层面的，假设我们要读取十个1MB大小的文件，不考虑目录结构的读取和文件碎片的情况下，会比读取一个10MB的文件消耗将近10倍的CPU资源——因为CPU需要发起10次读取指令。通常情况下，DMA方式读写数据消耗的CPU资源在3%以下甚至更低。

新一代的NVMe SSD，因为通常使用4x PCI-E通道，新一代的NVMe SSD是要求PCI-E 3.0（1x带宽8GT/s, 4x带宽32GT/s，除掉检验位是4*985MB/s=3940MB/s）；而旧平台（Intel六代之前）只支持PCI-E 2.0（1x带宽5GT/s，4x带宽20GT/s，除掉校验位是4*500MB/s=2000MB/s），对于部分高端NVMe SSD来说已经形成带宽瓶颈了，自然会导致硬盘读写性能下降。另外，更高速的读写速度自然也会消耗更多的CPU性能——一秒钟时间就能向CPU提供3GB+的数据等待CPU进行处理，显然和机械硬盘一秒钟才能读取到200+MB数据消耗的CPU资源不同。

然后是软RAID的情况：

这个要分不同的RAID级别来说。最简单的是RAID 1，CPU需要把一份写入指令复制成两份同时写入两个硬盘，显然对CPU资源的消耗起码要多一倍的。

然后复杂一点的是RAID 0，CPU需要按照RAID设置的条带宽度，把一份数据截成若干段，D1、D4、D7写入磁盘1，D2、D5、D8写入磁盘2，D3、D6、D9写入磁盘3（假设这是一个三个硬盘组成的RAID 0）。根据不同的RAID驱动或者缓存设置，不算截短数据所需的计算量，可能需要3倍到9倍的CPU资源消耗。组成RAID 0的磁盘越多，消耗的CPU资源也越多。

再复杂一点的是RAID 5，CPU需要根据D1、D2、D3的内容做XOR算出一个P1, D4、D5、D6算出一个P2，D7、D8、D9算出一个P3，然后D1、D4、D7写入磁盘1，D2、D5、P3写入磁盘2，D3、P2，D8写入磁盘3，P1、D6、D9写入磁盘4。这个过程中，P1、P2、P3的计算会消耗大量的CPU资源，和RAID 0类似，组成RAID 5的硬盘越多，消耗的CPU资源也越多。

更复杂的是RAID 6，除了P1、P2、P3外，CPU还要用另外一种算法计算出来另外三个校验数据Q1、Q2、Q3，并且和D1-D9、P1-P3打散写入到不同的磁盘上，CPU资源进一步被消耗——这就是为什么软RAID 5还算常见，但软RAID 6很少见的原因。当然，现在四核甚至更多的核心的CPU也很常见，很多面向存储的操作系统/文件系统都开始支持RAID 6或者类似的RAID级别：ZFS的RAIDZ2，Linux的mdadm，Windows的双校验存储池。但很显然，和单个硬盘存储相比，读写同样的数据，会消耗数十倍甚至上百倍的CPU资源。如果CPU性能太差，例如使用了老式的CPU，或者使用低功耗平台（例如ATOM），并且往往在NAS中，CPU还要同时提供其他服务，这个时候读写性能是非常可能会受到CPU性能影响的。

最后，上面所提到的几个RAID级别，都可以通过购买硬件RAID卡实现硬件加速——所有提到的这些需要增加CPU负担的工作都由RAID卡上的主控芯片完成，对于CPU来说，整个RAID阵列和一个普通硬盘并没有任何区别——除了需要加载RAID卡驱动而不是加载硬盘控制器驱动，自然也不会消耗额外的CPU性能。

作者：木头龙