第23講 設備管理之磁盤存儲器管理.doc

第二十三講 設備管理之磁盤存儲器管理1 磁盤性能簡述 了解1.1 存儲器系統的層次結構存儲器系統的層次結構如下圖所示：注意：磁盤是隨機存取、磁帶是順序存取。1.2 存儲器主要技術指標存儲密度 單位長度（磁帶）或單位面積（磁盤）磁層表面所存儲的二進制信息量存儲容量 磁表面存儲器所能存儲的二進制信息的總量，以字節(jié)為單位尋址時間、數據傳輸率、誤碼率、價格1.3 磁盤介紹目的： 長期存儲、斷電后存儲 容量大、價格低廉，但速度慢 可用在層次存儲器的最底層兩種主要類型： 軟盤、硬盤特點： 使用旋轉托盤上的表面磁顆粒來存儲數據 可移動的讀/寫頭來訪問磁盤硬盤、軟盤比較： 硬質托盤（金屬鋁），面積可以比較大； 由于可被精確控制，密度可以更高 旋轉速度快，傳輸率高 可以多個盤片組合磁盤結構，如圖1.4 磁盤性能簡述 看一下了解數據組織：磁盤結構、磁道、柱面、扇區(qū)、磁盤格式化磁盤物理塊的地址： 柱面號 磁頭號 扇區(qū)號磁盤類型：固定頭磁盤、移動頭磁盤訪問時間：由三部分組成：尋道時間、旋轉延遲時間、傳輸時間。尋道時間：將磁頭從當前位置移到指定磁道所經歷時間旋轉延遲時間：指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經歷時間傳輸時間：將扇區(qū)上的數據從磁盤讀出/向磁盤寫入數據所經歷的時間。磁盤的格式化：2 磁盤調度磁盤可供多個進程共享，當有多個進程要求訪問磁盤，應采用一種最佳的調度算法，使得各進程對磁盤的平均訪問量最小。 在訪問磁盤的時間中，主要是尋道時間。因此，磁盤調度的目標是使平均尋道時間最小。2.1 先來先服務FIFS思路：按進程請求訪問磁盤的先后次序進行調度。平均尋道長度移動距離/訪問的磁道數特點：簡單、較合理，但未對尋道進行優(yōu)化。2.2 最短尋道時間優(yōu)先SSTF思路：選擇從當前磁頭位置所需尋道時間最短的請求。饑餓現象（Starvation）：在最短尋道時間優(yōu)先算法中，只要不斷有新進程的請求到達，且其所要訪問的磁道與磁頭當前位置的距離較近，則這個新進程的I/O請求必然優(yōu)先滿足。造成另一個進程的請求始終不能滿足。稱為饑餓現象。特點：尋道性能比FCFS好，但不能保證尋道時間最短，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，可防止進程出現“饑餓”現象。思路：磁頭從磁盤的一端開始向另一端移動，沿途響應訪問請求，直到到達了磁盤的另一端，此時磁頭反向移動并繼續(xù)響應服務請求。有時也稱為電梯算法。其實就是增加了方向啦特點：尋道性能較好，避免了饑餓，但不利于遠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 示例見課本圖5-26 P175特點：消除了對兩端磁道請求的不公平。2.5 N-STEP-SCAN調度算法1 SSTF、SCAN及CSCAN存在的問題-磁臂粘著 在SSTF、SCAN及CSCAN幾種調度算法中，可能出現磁臂停留在某處的情況，即一個進程或某幾個進程反復請求某一磁道，從而壟斷了整個磁盤設備，這種現象稱為磁臂粘著。2 N-STEP-SCAN調度算法 將磁盤請求隊列分成若干個長度為N的子隊列（N是對列中進程的數目），磁盤調度將按FCFS算法依次處理這些子隊列，而每一子隊列按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速度遠低內存的訪問速度，而致使磁盤的I/O成為計算機系統的瓶頸。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：指內存中的一部分存儲空間，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存中的盤塊。磁盤高速緩存的形式：1 固定大?。涸趦却嬷虚_辟一個單獨的存儲空間來作為磁盤高速緩存。2 可變大?。簩⑺形蠢玫目臻g作為一個緩沖池。3.3 數據交付方式概念：是指磁盤高速緩存中的數據傳送給請求者進程。兩種方式：系統采取兩種方式，將數據交付給請求進程：1數據交付：系統直接將磁盤高速緩存中的數據傳送到請求者進程的內存工作區(qū)。2指針交付：只將指向磁盤高速緩存中該數據的指針，交付給請求者進程。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，若因磁盤高速緩存已滿，則采用常用的算法進行置換：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置換時除算法外還應考慮的問題：（除了考慮最近最久未使用原則外）訪問頻率、可預見性、數據的一致性 解決方法將系統中所有盤塊數據，拉成一條LRU鏈，對將會嚴重影響到數據一致性的數據和很久都可能不再使用的盤塊數據， 放在LRU頭部，到時優(yōu)先寫回磁盤。3.5 周期性的寫回磁盤問題引入：系統中所有盤塊數據，拉成一條LRU鏈，對將會嚴重影響到數據一致性的數據和很久都可能不再使用的盤塊數據， 放在LRU頭部，到時優(yōu)先寫回磁盤。若經常訪問的數據將一直保留磁盤高速緩存中，長期不會被寫回磁盤，若系統出故障，則存在磁盤高速緩存中的數據將丟失。問題解決n 周期性地將磁盤高速緩存中的數據寫回磁盤。UNIXn 磁盤高速緩存中的數據若修改，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，在讀當前塊時，可預知下一次要讀的盤塊，所以，可采用預先讀方式，即在讀當前塊的同時，連同將下一塊提前讀入緩沖。當訪問下一塊數據時，其已在緩沖中，而不需去啟動磁盤I/O。2延遲寫 在緩存中的數據,本應立即寫回磁盤,考慮不久之后可能會再用,故不立即寫回磁盤。3優(yōu)化物理塊的分布 使磁頭移動的距離最小（優(yōu)化物理塊的分布、優(yōu)化索引結點的分布）。4虛擬盤 利用內存去仿真磁盤，又稱為RAM盤。（與磁盤高速緩存的區(qū)別：RAM盤中的內容由用戶控制，而緩存中的內容則由OS控制）5 廉價磁盤冗余陣列（RAID）是1987年由美國加利福尼來大學伯克利分校提出的，1988年問世思路：即利用一臺磁盤陳列控制器，來統一管理和控制一組磁盤驅動器，組成一個高度可靠的、快速的大容量磁盤系統。5.1 并行交叉存取為提高磁盤的訪問速度而在大、中型機中采用的交叉存取技術，即在一個配置多臺磁盤驅動器的系統中，如圖所示。說明：系統將每一盤塊的數據分成若干個子盤塊數據，再把每一個子盤塊的數據分別存儲到各個不同磁盤中的相同位置上，在以后，當要將一個盤塊的數據傳送到內存時，采取并行傳輸方式，將該盤塊中的各個子盤塊數據同時向內存?zhèn)鬏?，從而使傳輸時間大大減少。其實就是把一個文件分成若干個數據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 本級僅提供了并行存取技術，無冗余校驗功能，至使磁盤系統的可靠性不好，故較少使用。v RAID 1級 本級具有磁盤鎖像功能，即每次訪問磁盤時，采用并行技術將數據同時主盤（數據盤）和磁盤鏡像盤中。磁盤系統的可靠性好，但磁盤利用率不高。v RAID 3級 本級采用并行存取技術，增加了冗余校驗功能，即用一個盤作校驗盤，常用科學計算和圖像處理。v RAID 5級 本級具有獨立傳送功能，各磁盤驅動器可獨立讀、寫，校驗信息在所有盤上，常用于I/O較頻繁的事務處理中。v RAID 6級 本級設置了一個專用的、可快速訪問的異步校驗盤，該盤具有獨立的數據訪問通路。v RAID 7級 本級是對RAID 6級的改進，所有磁盤均具有較高