PostgreSQLを使うならZFS

PostgreSQLを使うならZFSで決まりです。数値で明らかです。ZFS以外を使うのは論外なくらいの性能差があります。

TL;DR;

PostgreSQL（他のデータベースでも）はZFSで使いましょう。

ベンチマーク環境

ハードウェア

• CPU: Xeon E3-1230 v5 @ 3.40GHz
• MEM: 32GB ECC
• HDD: HGST 7200 rpm HDD – HDS721010CLA332
• SSD: Crucial CT250MX200SSD

HDDは古く、SDDの性能も良いとは言えない物です。

ソフトウェア

• OS: Fedora 27
• Kernel: 4.14.8-300.fc27.x86_64
• ZFS: ZFS on Linux 0.7.5 – zfs-0.7.5-1.fc27.x86_64
• PostgreSQL 10 (2017/12/26 git版)

参考：FedoraでZFSを使う

pgbenchのオプション

• スケールファクタ 100
• クライアント 100
• スレッド数 50
• pgbench結果は揺れが大きいので、3回実行して最大の結果を掲載

postgresql.confの変更箇所

• なし

ZFSオプション

• atime=off
• relatime=on
• recordsize=8K
• HDDは1台、ディスク全体をZFSに利用
• ARC（メモリキャッシュ）サイズは8GBに制限
• ZIL logキャッシュ（ZFSログの書き込みキャッシュ）はSSDの2GBを利用
• L2ARCなし（SSDのデータキャッシュなし）

[yohgaki@kiri testvol]$ zpool status testvol
  pool: testvol
 state: ONLINE
  scan: none requested
config:

    NAME                                             STATE     READ WRITE CKSUM
    testvol                                          ONLINE       0     0     0
      ata-Hitachi_HDS721010CLA332_JP6940HZ0934JF     ONLINE       0     0     0
    logs
      ata-Crucial_CT250MX200SSD1_1618127BA553-part7  ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors

ベンチマーク：RAMディスク

/tmp (tmpfsはRAMディスク) で実行。これ以上の性能は見込めない。

[yohgaki@kiri tmp]$ /usr/local/pgsql-10/bin/pgbench -c 100 -j 50 -T 60 test
starting vacuum...end.
transaction type: <builtin: TPC-B (sort of)>
scaling factor: 100
query mode: simple
number of clients: 100
number of threads: 50
duration: 60 s
number of transactions actually processed: 1133156
latency average = 5.299 ms
tps = 18871.500398 (including connections establishing)
tps = 18882.329623 (excluding connections establishing)

参考ベンチマーク：Ext4 + fsync=off

PostgreSQLはfsync=offに設定するとRAMディスクと同等の性能を実現できます。このため、PostgreSQLでRAMディスクを使う意味はあまりありません。

[yohgaki@kiri mnt]$ /usr/local/pgsql-10/bin/pgbench -c 100 -j 50 -T 60 test
starting vacuum...end.
transaction type: <builtin: TPC-B (sort of)>
scaling factor: 100
query mode: simple
number of clients: 100
number of threads: 50
duration: 60 s
number of transactions actually processed: 1090771
latency average = 5.506 ms
tps = 18163.326168 (including connections establishing)
tps = 18178.052501 (excluding connections establishing)

ベンチマーク：Ext4

[yohgaki@kiri mnt]$ /usr/local/pgsql-10/bin/pgbench -c 100 -j 50 -T 60 test
starting vacuum...end.
transaction type: <builtin: TPC-B (sort of)>
scaling factor: 100
query mode: simple
number of clients: 100
number of threads: 50
duration: 60 s
number of transactions actually processed: 20974
latency average = 292.055 ms
tps = 342.401428 (including connections establishing)
tps = 342.443617 (excluding connections establishing)

ベンチマーク：XFS

[yohgaki@kiri mnt]$ /usr/local/pgsql-10/bin/pgbench -c 100 -j 50 -T 60 test
starting vacuum...end.
transaction type: <builtin: TPC-B (sort of)>
scaling factor: 100
query mode: simple
number of clients: 100
number of threads: 50
duration: 60 s
number of transactions actually processed: 17703
latency average = 340.007 ms
tps = 294.111509 (including connections establishing)
tps = 294.155913 (excluding connections establishing)

ベンチマーク：Btrfs

[yohgaki@kiri mnt]$ /usr/local/pgsql-10/bin/pgbench -c 100 -j 50 -T 60 test
starting vacuum...end.
transaction type: <builtin: TPC-B (sort of)>
scaling factor: 100
query mode: simple
number of clients: 100
number of threads: 50
duration: 60 s
number of transactions actually processed: 37261
latency average = 162.495 ms
tps = 615.404451 (including connections establishing)
tps = 615.487237 (excluding connections establishing)

ベンチマーク：ZFS （キャッシュなし）

キャッシュなしもでZFSのパフォーマンスは約2倍の性能でExt4, XFSを圧倒しています。BtrfsはZFSには少し及びません。

[yohgaki@kiri testvol]$ /usr/local/pgsql-10/bin/pgbench -c 100 -j 50 -T 60 test
starting vacuum...end.
transaction type: <builtin: TPC-B (sort of)>
scaling factor: 100
query mode: simple
number of clients: 100
number of threads: 50
duration: 60 s
number of transactions actually processed: 38873
latency average = 155.310 ms
tps = 643.875143 (including connections establishing)
tps = 643.977799 (excluding connections establishing)

ベンチマーク：ZFS + Logキャッシュ

SSDでZIL（ZFS Intent Log）をキャッシュすると、文字通り他のファイルシステムとは桁違い、XFSとは25倍以上、の性能差になります。HDDの信頼性とSSDの速さの良いところ取りです。

[yohgaki@kiri testvol]$ /usr/local/pgsql-10/bin/pgbench -c 100 -j 50 -T 60 test
starting vacuum...end.
transaction type: <builtin: TPC-B (sort of)>
scaling factor: 100
query mode: simple
number of clients: 100
number of threads: 50
duration: 60 s
number of transactions actually processed: 459698
latency average = 13.061 ms
tps = 7656.160139 (including connections establishing)
tps = 7658.075438 (excluding connections establishing)

参考ベンチマーク：SATA5台のRAIDZ + Logキャッシュ

一般にIOPSを要求される場合、ストライピング（RAIDZ）は不利とされています。しかし、このシステムの場合、以下のようなベンチマーク結果になります。

HDDは5400rpmの静音型ですが、新しいHDD、サイズが3TB（HGSTは1TB）である点が異なります。あくまで参考数値です。

[yohgaki@kiri ~]$ /usr/local/pgsql-10/bin/pgbench -c 100 -j 50 -T 60 test
starting vacuum...end.
scaling factor: 100
query mode: simple
number of clients: 100
number of threads: 50
duration: 60 s
number of transactions actually processed: 523853
latency average = 11.462 ms
tps = 8724.291624 (including connections establishing)
tps = 8725.956144 (excluding connections establishing)

追記：動作をよく見てみると単一のディスクでは単純にスループットが頭打ちになり、よりスループットが大きくなるRAIDZの方が高性能になったという形でした。DBだからIOPS重視でミラーで、と安直に決めない方がよいです。

参考ベンチマーク：SSD上のBtrfs

SSDにログをキャッシュしているから速いのでは？と思った方も多いと思います。ファイルシステムとして高性能だったBtrfsはこのシステムのルートファイルシステムになっています。SSD+Btrfsの参考として掲載します。ZFSには少し及ばない結果でした。

[yohgaki@kiri mnt]$ /usr/local/pgsql-10/bin/pgbench -c 100 -j 50 -T 60 test
starting vacuum...end.
transaction type: <builtin: TPC-B (sort of)>
scaling factor: 100
query mode: simple
number of clients: 100
number of threads: 50
duration: 60 s
number of transactions actually processed: 425377
latency average = 14.117 ms
tps = 7083.480074 (including connections establishing)
tps = 7084.581074 (excluding connections establishing)

まとめ

環境によってベンチマーク結果は異なりますが、ほぼ全ての環境でPostgreSQLを使うならZFSで決まりでしょう。

ZFS on Linuxはデフォルトで搭載メモリの半分をARC（データキャッシュ）に使います。PostgreSQLのバッファキャッシュやワークメモリも必要です。多くの場合、半分よりも少ないメモリをARCに割り当てた方が良いでしょう。今時はメモリは十分にあると思います。足りなければ追加も簡単です。

ZFSとBtrfsはファイルシステムのデータ領域のチェックサムを取って整合性を維持しています。ZFSでLogをキャッシュする場合、SSDの信頼性が気になるかも知れません。Logのキャッシュもミラーリング可能で安全に利用できます。