バッファー プール拡張

  • [アーティクル]

適用対象: SQL Server

SQL Server 2014 (12.x)で導入されたバッファー プール拡張は、不揮発性ランダム アクセス メモリ (ソリッドステート ドライブ) 拡張としての データベース エンジン バッファー プールへのシームレスな統合を実現することで、I/O スループットを大幅に向上させます。 バッファー プール拡張は、 SQL Server の一部のエディションでは使用できません。 詳細については、「 SQL Server 2016 の各エディションがサポートする機能」を参照してください。

バッファー プール拡張機能の利点

SQL Server データベースの主な目的はデータの格納と取得であるため、データベース エンジンの主要な特性は頻繁なディスク I/O ということになります。 ディスク I/O 操作は多くのリソースを消費するうえ、完了するのに比較的長い時間がかかるため、 SQL Server では I/O の効率を上げることに重点を置いています。 バッファー プールは、 SQL Serverのプライマリ メモリの割り当て元となります。 バッファー管理は、この効率向上を実現するための重要なコンポーネントです。 バッファー管理コンポーネントは 2 つのメカニズムから構成されています。1 つはデータベース ページに対するアクセスと更新を行うバッファー マネージャーで、もう 1 つはデータベース ファイルの I/O 数を削減するためのバッファー プールです。

データ ページとインデックス ページがディスクからバッファー プールに読み込まれ、変更されたページ (ダーティ ページとも呼ばれます) がディスクに書き戻されます。 サーバー チェックポイントおよびデータベース チェックポイントでメモリ不足が発生すると、バッファー キャッシュ内のホットな (アクティブな) ダーティ ページがキャッシュから削除され、機械式ディスクに書き込まれた後、再度キャッシュに読み込まれます。 通常、これらの I/O 操作は、4 ～ 16 KB という小規模なデータのランダム読み取り/書き込みです。 小規模なランダム I/O パターンの場合、頻繁なシークが発生して機械式ディスクのアームが動き続けるため、I/O 待機時間が長くなり、システムの総 I/O スループットが低下します。

このような I/O ボトルネックを解決するための一般的な方法は、DRAM を増設するか、または高パフォーマンス SAS スピンドルを追加する方法です。 これらのオプションは効果的ですが、重大な欠点があります。DRAM は、データ ストレージ ドライブよりも高価です。スピンドル数を追加すると、ハードウェアの購入経費が増えるだけでなく、電力消費量の増加およびコンポーネントの故障の可能性の増加に伴い運用コストが増加します。

バッファー プール拡張機能は、不揮発性ストレージ (通常は SSD) でバッファー プール キャッシュを拡張します。 この拡張により、より大きなデータベースのワーキング セットをバッファー プールに格納でき、その結果、RAM と SSD の間の I/O のページングが強制的に実行されます。 これによって、小規模なランダム I/O の処理が実質的に機械式ディスクから SSD に移行されます。 SSD は待機時間が短くランダム I/O のパフォーマンスに優れているため、バッファー プール拡張によって I/O スループットが大幅に向上します。

バッファー プール拡張機能の利点を次の一覧に示します。

  • ランダム I/O のスループットの向上

  • I/O 待機時間の削減

  • トランザクションのスループットの向上

  • より大きなハイブリッド バッファー プールによる読み取りパフォーマンスの向上

  • 現在および将来の低コストのメモリ ドライブを使用できるキャッシュ アーキテクチャ

概念

バッファー プール拡張機能に関連する用語を次に示します。

ソリッドステート ドライブ (SSD)
ソリッドステート ドライブは、データをメモリ (RAM) に永続的に格納します。 詳細については、 この定義を参照してください。

バッファー
SQL Serverでは、バッファーはメモリ内の 8 KB のページで、データ ページやインデックス ページと同じサイズです。 したがって、バッファー キャッシュは 8 KB 単位のページに分割されます。 バッファー マネージャーが別のデータを読み取るためのバッファー領域を必要とするまで、そのページはバッファー キャッシュ内に残ります。 データに変更が加えられた場合だけ、そのデータがディスクに書き戻されます。 これらのメモリ内の修正されたページは、"ダーティ ページ" と呼ばれます。 ページは、ディスク上のデータベース イメージと等価であるときにクリーンです。 バッファー キャッシュ内のデータは、ディスクに書き戻す前に何度でも変更できます。

バッファー プール
バッファー キャッシュとも呼ばれます。 バッファー プールは、キャッシュされたデータ ページを利用するためにすべてのデータベースで共有されるグローバル リソースです。 バッファー プール キャッシュの最大サイズと最小サイズは、起動時か、または SQL Server のインスタンスが sp_configure を使用して動的に再構成されるときに決定されます。 このサイズにより、実行中のインスタンスで任意のときにバッファー プールにキャッシュできる最大ページ数が決まります。

バッファー プール拡張機能によってコミットできる最大メモリは、コンピューター上で実行中の他のアプリケーションによって深刻なメモリ不足が発生した場合に、そのアプリケーションによって制限されることがあります。

Checkpoint
チェックポイントによって、予期しないシャットダウンやクラッシュの後の復旧中に、トランザクション ログに格納されている変更を データベース エンジン が適用するための最適なポイントが作成されます。 チェックポイントは、変更されたページとトランザクション ログ情報をメモリからディスクに書き込み、さらにトランザクション ログに関する情報を記録します。 詳細については、「Database Checkpoints (SQL Server)」 (データベース チェックポイント (SQL Server)) をご覧ください。

詳細

SSD ストレージは、ディスク ストレージ サブシステムではなく、メモリ サブシステムの拡張として使用されます。 つまり、バッファー プール拡張ファイルによって、バッファー プール マネージャーが DRAM と NAND フラッシュ メモリの両方を使用し、SSD を使用した不揮発性ランダム アクセス メモリ上に "微温" ページ用のはるかに大きなバッファー プールを保持できるようになります。 これにより、DRAM としてのレベル 1 (L1) と SSD 上のバッファー プール拡張ファイルとしてのレベル 2 (L2) から成る複数レベルのキャッシュ階層が作成されます。 データの安全性を維持するため、L2 キャッシュにはクリーンなページのみが書き込まれます。 バッファー マネージャーは、L1 キャッシュと L2 キャッシュの間のクリーンなページの移動を処理します。

次の図は、バッファー プールのアーキテクチャを他の SQL Server コンポーネントに関連して示した概要図です。

SSD バッファー プール拡張機能のアーキテクチャ

有効な場合、バッファー プール拡張は、SSD 上のバッファー プール キャッシュ ファイルのサイズおよびファイル パスを指定します。 このファイルは SSD 上のストレージの連続的なエクステントで、 SQL Serverインスタンスの起動時に静的に構成されます。 ファイルの構成パラメーターの変更は、バッファー プール拡張機能が無効になっている場合にのみ実行できます。 バッファー プール拡張を無効にすると、すべての関連する構成設定がレジストリから削除されます。 バッファー プール拡張ファイルは、SQL Server インスタンスがシャットダウンされると削除されます。

容量の制限

SQL Server Enterprise Edition では、バッファー プール拡張機能の最大サイズを max_server_memory の値の 32 倍にすることができます。

SQL Server Standard Edition では、バッファー プール拡張機能の最大サイズを max_server_memory の値の 4 倍にすることができます。

ベスト プラクティス

次のベスト プラクティスに従うことをお勧めします。

  • 初めてバッファー プール拡張機能を有効にした後は、パフォーマンス上の利点を最大限に活用するために SQL Server インスタンスを再起動することをお勧めします。

  • 物理メモリのサイズ (max_server_memory) とバッファー プール拡張機能のサイズの比率が 1:16 以下になるようにバッファー プール拡張機能を設定します。 1:4 ～ 1:8 の範囲の低い比率が最適な場合もあります。 max_server_memory オプションの設定の詳細については、「 サーバー メモリーに関するサーバー構成オプション」を参照してください。

  • 運用環境で実装する前にバッファー プール拡張を徹底的にテストします。 運用環境では、ファイルの構成を変更したり、機能をオフにしたりしないでください。 これらの操作を行うと、機能が無効にされたときにバッファー プールのサイズが大幅に縮小されるため、サーバー パフォーマンスにマイナスの影響がある場合があります。 無効にすると、SQL Server のインスタンスが再起動されるまで、機能をサポートするために使用されたメモリが再利用されません。 しかし、機能を再度有効にすると、インスタンスを再起動しなくてもメモリが再利用されます。

バッファー プール拡張機能に関する情報の取得

次の動的管理ビューを使用して、バッファー プール拡張の構成を表示し、拡張のデータ ページに関する情報を取得できます。

SQL Server ではパフォーマンス カウンターが用意されており、Buffer Manager オブジェクトを使用して、バッファー プール拡張ファイル内のデータ ページを追跡することができます。 詳細については、「 バッファー プール拡張のパフォーマンス カウンター」を参照してください。

次の XEvent を使用できます。

XEvent 説明 パラメーター
sqlserver.buffer_pool_extension_pages_written ページまたはページのグループがバッファー プールから削除され、バッファー プール拡張ファイルに書き込まれると発生します。 number_page

first_page_id

first_page_offset

initiator_numa_node_id
sqlserver.buffer_pool_extension_pages_read ページがバッファー プール拡張ファイルからバッファー プールに読み取られると発生します。 number_page

first_page_id

first_page_offset

initiator_numa_node_id
sqlserver.buffer_pool_extension_pages_evicted ページがバッファー プール拡張ファイルから削除されると発生します。 number_page

first_page_id

first_page_offset

initiator_numa_node_id
sqlserver.buffer_pool_eviction_thresholds_recalculated 削除しきい値が計算されると発生します。 warm_threshold

cold_threshold

pages_bypassed_eviction

eviction_bypass_reason

eviction_bypass_reason_description
タスクの説明 トピック
バッファー プール拡張を有効化および構成する ALTER SERVER CONFIGURATION (Transact-SQL)
バッファー プール拡張の構成を変更する ALTER SERVER CONFIGURATION (Transact-SQL)
バッファー プール拡張の構成を表示する sys.dm_os_buffer_pool_extension_configuration (Transact-SQL)
バッファー プール拡張を監視する sys.dm_os_buffer_descriptors (Transact-SQL)

パフォーマンス カウンター