第23講 設(shè)備管理之磁盤存儲(chǔ)器管理.doc

第二十三講 設(shè)備管理之磁盤存儲(chǔ)器管理1 磁盤性能簡述 了解1.1 存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如下圖所示：注意：磁盤是隨機(jī)存取、磁帶是順序存取。1.2 存儲(chǔ)器主要技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)密度 單位長度（磁帶）或單位面積（磁盤）磁層表面所存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量存儲(chǔ)容量 磁表面存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息的總量，以字節(jié)為單位尋址時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸率、誤碼率、價(jià)格1.3 磁盤介紹目的： 長期存儲(chǔ)、斷電后存儲(chǔ) 容量大、價(jià)格低廉，但速度慢 可用在層次存儲(chǔ)器的最底層兩種主要類型： 軟盤、硬盤特點(diǎn)： 使用旋轉(zhuǎn)托盤上的表面磁顆粒來存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 可移動(dòng)的讀/寫頭來訪問磁盤硬盤、軟盤比較： 硬質(zhì)托盤（金屬鋁），面積可以比較大； 由于可被精確控制，密度可以更高 旋轉(zhuǎn)速度快，傳輸率高 可以多個(gè)盤片組合磁盤結(jié)構(gòu)，如圖1.4 磁盤性能簡述 看一下了解數(shù)據(jù)組織：磁盤結(jié)構(gòu)、磁道、柱面、扇區(qū)、磁盤格式化磁盤物理塊的地址： 柱面號(hào) 磁頭號(hào) 扇區(qū)號(hào)磁盤類型：固定頭磁盤、移動(dòng)頭磁盤訪問時(shí)間：由三部分組成：尋道時(shí)間、旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間、傳輸時(shí)間。尋道時(shí)間：將磁頭從當(dāng)前位置移到指定磁道所經(jīng)歷時(shí)間旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間：指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷時(shí)間傳輸時(shí)間：將扇區(qū)上的數(shù)據(jù)從磁盤讀出/向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間。磁盤的格式化：2 磁盤調(diào)度磁盤可供多個(gè)進(jìn)程共享，當(dāng)有多個(gè)進(jìn)程要求訪問磁盤，應(yīng)采用一種最佳的調(diào)度算法，使得各進(jìn)程對磁盤的平均訪問量最小。 在訪問磁盤的時(shí)間中，主要是尋道時(shí)間。因此，磁盤調(diào)度的目標(biāo)是使平均尋道時(shí)間最小。2.1 先來先服務(wù)FIFS思路：按進(jìn)程請求訪問磁盤的先后次序進(jìn)行調(diào)度。平均尋道長度移動(dòng)距離/訪問的磁道數(shù)特點(diǎn)：簡單、較合理，但未對尋道進(jìn)行優(yōu)化。2.2 最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF思路：選擇從當(dāng)前磁頭位置所需尋道時(shí)間最短的請求。饑餓現(xiàn)象（Starvation）：在最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法中，只要不斷有新進(jìn)程的請求到達(dá)，且其所要訪問的磁道與磁頭當(dāng)前位置的距離較近，則這個(gè)新進(jìn)程的I/O請求必然優(yōu)先滿足。造成另一個(gè)進(jìn)程的請求始終不能滿足。稱為饑餓現(xiàn)象。特點(diǎn)：尋道性能比FCFS好，但不能保證尋道時(shí)間最短，且有可能引起某些請求的饑餓。2.3 掃描算法（SCAN）采用掃描算法，可防止進(jìn)程出現(xiàn)“饑餓”現(xiàn)象。思路：磁頭從磁盤的一端開始向另一端移動(dòng)，沿途響應(yīng)訪問請求，直到到達(dá)了磁盤的另一端，此時(shí)磁頭反向移動(dòng)并繼續(xù)響應(yīng)服務(wù)請求。有時(shí)也稱為電梯算法。其實(shí)就是增加了方向啦特點(diǎn)：尋道性能較好，避免了饑餓，但不利于遠(yuǎn)離磁頭一端的訪問請求。2.4 循環(huán)掃描算法思路：規(guī)定磁頭單向移動(dòng) 示例見課本圖5-26 P175特點(diǎn)：消除了對兩端磁道請求的不公平。2.5 N-STEP-SCAN調(diào)度算法1 SSTF、SCAN及CSCAN存在的問題-磁臂粘著 在SSTF、SCAN及CSCAN幾種調(diào)度算法中，可能出現(xiàn)磁臂停留在某處的情況，即一個(gè)進(jìn)程或某幾個(gè)進(jìn)程反復(fù)請求某一磁道，從而壟斷了整個(gè)磁盤設(shè)備，這種現(xiàn)象稱為磁臂粘著。2 N-STEP-SCAN調(diào)度算法 將磁盤請求隊(duì)列分成若干個(gè)長度為N的子隊(duì)列（N是對列中進(jìn)程的數(shù)目），磁盤調(diào)度將按FCFS算法依次處理這些子隊(duì)列，而每一子隊(duì)列按SCAN算法處理。 N=1 FCFS算法 N很大 SCAN算法 N取半長度 FSCAN算法3 磁盤高速緩存（Disk Cache）3.1 引入目前，由于磁盤的I/O速度遠(yuǎn)低內(nèi)存的訪問速度，而致使磁盤的I/O成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的瓶頸。為提高磁盤的I/O速度，便采用磁盤高速緩存。3.2 磁盤高速緩存的形式概念：指內(nèi)存中的一部分存儲(chǔ)空間，用來暫存從磁盤讀出的一系列盤塊中的信息。所以它是一組在邏輯上屬于磁盤，而物理上是駐留在內(nèi)存中的盤塊。磁盤高速緩存的形式：1 固定大?。涸趦?nèi)存中開辟一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)空間來作為磁盤高速緩存。2 可變大?。簩⑺形蠢玫目臻g作為一個(gè)緩沖池。3.3 數(shù)據(jù)交付方式概念：是指磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請求者進(jìn)程。兩種方式：系統(tǒng)采取兩種方式，將數(shù)據(jù)交付給請求進(jìn)程：1數(shù)據(jù)交付：系統(tǒng)直接將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送到請求者進(jìn)程的內(nèi)存工作區(qū)。2指針交付：只將指向磁盤高速緩存中該數(shù)據(jù)的指針，交付給請求者進(jìn)程。3.4 置換算法引入：在將磁盤中的盤塊讀入到磁盤高速緩存中時(shí)，若因磁盤高速緩存已滿，則采用常用的算法進(jìn)行置換：最近最久未使用算法LRU 、最近未使用算法NRU、最少使用算法LFU置換時(shí)除算法外還應(yīng)考慮的問題：（除了考慮最近最久未使用原則外）訪問頻率、可預(yù)見性、數(shù)據(jù)的一致性 解決方法將系統(tǒng)中所有盤塊數(shù)據(jù)，拉成一條LRU鏈，對將會(huì)嚴(yán)重影響到數(shù)據(jù)一致性的數(shù)據(jù)和很久都可能不再使用的盤塊數(shù)據(jù)， 放在LRU頭部，到時(shí)優(yōu)先寫回磁盤。3.5 周期性的寫回磁盤問題引入：系統(tǒng)中所有盤塊數(shù)據(jù)，拉成一條LRU鏈，對將會(huì)嚴(yán)重影響到數(shù)據(jù)一致性的數(shù)據(jù)和很久都可能不再使用的盤塊數(shù)據(jù)， 放在LRU頭部，到時(shí)優(yōu)先寫回磁盤。若經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)將一直保留磁盤高速緩存中，長期不會(huì)被寫回磁盤，若系統(tǒng)出故障，則存在磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)將丟失。問題解決n 周期性地將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)寫回磁盤。UNIXn 磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)若修改，則立即寫回磁盤。4 提高磁盤I/O速度的其它方法 1提前讀（Read_Ahead） 由于用戶對文件的訪問常用順序方式，在讀當(dāng)前塊時(shí)，可預(yù)知下一次要讀的盤塊，所以，可采用預(yù)先讀方式，即在讀當(dāng)前塊的同時(shí)，連同將下一塊提前讀入緩沖。當(dāng)訪問下一塊數(shù)據(jù)時(shí)，其已在緩沖中，而不需去啟動(dòng)磁盤I/O。2延遲寫 在緩存中的數(shù)據(jù),本應(yīng)立即寫回磁盤,考慮不久之后可能會(huì)再用,故不立即寫回磁盤。3優(yōu)化物理塊的分布 使磁頭移動(dòng)的距離最小（優(yōu)化物理塊的分布、優(yōu)化索引結(jié)點(diǎn)的分布）。4虛擬盤 利用內(nèi)存去仿真磁盤，又稱為RAM盤。（與磁盤高速緩存的區(qū)別：RAM盤中的內(nèi)容由用戶控制，而緩存中的內(nèi)容則由OS控制）5 廉價(jià)磁盤冗余陣列（RAID）是1987年由美國加利福尼來大學(xué)伯克利分校提出的，1988年問世思路：即利用一臺(tái)磁盤陳列控制器，來統(tǒng)一管理和控制一組磁盤驅(qū)動(dòng)器，組成一個(gè)高度可靠的、快速的大容量磁盤系統(tǒng)。5.1 并行交叉存取為提高磁盤的訪問速度而在大、中型機(jī)中采用的交叉存取技術(shù)，即在一個(gè)配置多臺(tái)磁盤驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)中，如圖所示。說明：系統(tǒng)將每一盤塊的數(shù)據(jù)分成若干個(gè)子盤塊數(shù)據(jù)，再把每一個(gè)子盤塊的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到各個(gè)不同磁盤中的相同位置上，在以后，當(dāng)要將一個(gè)盤塊的數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存時(shí)，采取并行傳輸方式，將該盤塊中的各個(gè)子盤塊數(shù)據(jù)同時(shí)向內(nèi)存?zhèn)鬏?，從而使傳輸時(shí)間大大減少。其實(shí)就是把一個(gè)文件分成若干個(gè)數(shù)據(jù)塊存在不同盤的同一位置，將來并行傳輸。5.2 RAID的分類v RAID 0級(jí) 本級(jí)僅提供了并行存取技術(shù)，無冗余校驗(yàn)功能，至使磁盤系統(tǒng)的可靠性不好，故較少使用。v RAID 1級(jí) 本級(jí)具有磁盤鎖像功能，即每次訪問磁盤時(shí)，采用并行技術(shù)將數(shù)據(jù)同時(shí)主盤（數(shù)據(jù)盤）和磁盤鏡像盤中。磁盤系統(tǒng)的可靠性好，但磁盤利用率不高。v RAID 3級(jí) 本級(jí)采用并行存取技術(shù)，增加了冗余校驗(yàn)功能，即用一個(gè)盤作校驗(yàn)盤，常用科學(xué)計(jì)算和圖像處理。v RAID 5級(jí) 本級(jí)具有獨(dú)立傳送功能，各磁盤驅(qū)動(dòng)器可獨(dú)立讀、寫，校驗(yàn)信息在所有盤上，常用于I/O較頻繁的事務(wù)處理中。v RAID 6級(jí) 本級(jí)設(shè)置了一個(gè)專用的、可快速訪問的異步校驗(yàn)盤，該盤具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)訪問通路。v RAID 7級(jí) 本級(jí)是對RAID 6級(jí)的改進(jìn)，所有磁盤均具有較高