【正文】 提綱 ? 物理存儲介質(zhì) ? RAID ? 緩沖區(qū)管理 ? 索引 ? 數(shù)據(jù)庫文件 ? 存儲分配 物理存儲介質(zhì) 物理存儲介質(zhì) ? 高速緩沖存儲器 （ cache） ? 最快最昂貴的存儲介質(zhì) ? 很小 ， 由操作系統(tǒng)管理 ? 主存儲器 （ main memory） ? 存放可被處理的數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì) ? 易失 ， 相對整個數(shù)據(jù)庫太小 ? 快閃存儲器 （ flash memory） ? 讀性能類似主存 ， 寫速度非常慢 ? 電子可擦除可編程只讀存儲器 (Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory) 物理存儲介質(zhì) ? 磁盤存儲器 （ Magicdisk storage） ? 直接讀取設(shè)備 ， 支持隨機讀取 ? 非易失聯(lián)機數(shù)據(jù)存儲設(shè)備 ? 訪問數(shù)據(jù)時 ， 磁盤 ?內(nèi)存；修改后的數(shù)據(jù) ， 內(nèi)存 ?磁盤 ? 光學(xué)存儲器 （ Optical storage） ? 只讀 (CDROM)、 一次寫多次讀 (WORM)、 多次寫(CDRW) ? 磁帶 （ tape） ? 順序訪問 ， 歸檔存儲 ， 容量大 ， 價格便宜 磁盤 磁盤 ? 基本構(gòu)成 ? 盤片 (platter)、 磁道 (track)、 扇區(qū) (sector)、 柱面(cylinder) ? 讀寫頭 (readwrite head)：反轉(zhuǎn)磁性物質(zhì)磁化的方向 ? 磁盤臂 (disk arm) ? 磁盤控制器 (disk controller)：接受讀寫扇區(qū)命令 ，定位讀寫頭 。 向扇區(qū)寫入數(shù)據(jù)時附加校驗和(checksum)， 讀取時重新計算校驗和 磁盤 ? 扇區(qū) （ sector） 是盤片的最小可尋址單元 ， 每個扇區(qū)可容納 512字節(jié)的數(shù)據(jù) ， 也叫磁盤塊 。 扇區(qū)會被集合成簇 （ cluster） ， 簇也叫數(shù)據(jù)塊 ， 操作系統(tǒng)通常以數(shù)據(jù)塊為單位對硬盤進行讀寫 。 ? 磁道 （ track） 在同一個盤片上以同心圓方式排列的扇區(qū)構(gòu)成一個磁道 ， 磁道的扇區(qū)數(shù)隨同心圓的半徑而變化 ， 越靠外的磁道的扇區(qū)數(shù)越多 。 ? 柱面 （ cylinder） 各盤片上位于同一位置的磁道構(gòu)成一個柱面 。 構(gòu)成硬盤的每個碟片都被劃分為數(shù)目相等的磁道 ， 并從外緣的 “ 0”開始編號 ， 具有相同編號的磁道形成一個圓柱 ， 稱之為磁盤的柱面 。 因此硬盤的柱面數(shù)和一個碟片上的磁道數(shù)是相同的 。 磁盤 ? 磁盤性能度量 ? 訪問時間：從發(fā)出讀寫請求到數(shù)據(jù)開始傳輸之間的時間 。 為到達指定扇區(qū) ， 需要先 移動 磁盤臂 ，定位到正確的磁道 ， 然后 旋轉(zhuǎn) 磁盤 ， 直到指定的扇區(qū)出現(xiàn)在讀寫頭下方 ? 尋道時間 (seek time)：磁盤臂重定位時間 ， 取決于目標磁道和磁盤臂當前距離 ， 2~30毫秒 。 平均尋道時間是最大尋道時間的 1/3 ? 旋轉(zhuǎn)等待時間 (rotational latency tiime)：目標扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到讀寫頭下面的時間 ， 每轉(zhuǎn)在 4~11毫秒之間 。平均旋轉(zhuǎn)時間是旋轉(zhuǎn)一周的 1/2 ? 數(shù)據(jù)傳輸率 (datatransfer rate)， 25~100兆 /秒 磁盤訪問優(yōu)化 ? 磁盤塊的大小 ? 小 ， 更多的磁盤傳輸次數(shù)；大 ， 空間浪費 ? 調(diào)度 ? 塊在一個柱面上 ， 按塊經(jīng)過讀寫頭的順序訪問；塊在不同柱面上 ， 按使磁盤臂移動距離最短的順序訪問 ? 電梯算法 ? 文件組織 ? 按與預(yù)期數(shù)據(jù)訪問方式最接近的方式組織磁盤塊 ? 碎片整理 ? 日志磁盤 ? 順序?qū)?， 消除了尋道時間 磁盤的性能指標 ? （ 1） 容量 ? 磁盤上信息的存儲是以同心圓的形式排列的 ， 每一個圓稱為一個磁道 。 半徑方向單位長度內(nèi)的磁道數(shù)目稱為道密度 Dt， 沿圓周單位長度上的信息比特數(shù)稱為位密度 Db， 道密度與位密度的乘積叫做面密度 Da， 即Da = Dt Db。 Da越大表明一個盤片上能存儲的信息量就越大 。 但面密度的提高會使相鄰磁道間的數(shù)據(jù)干擾加大 ， 磁頭在磁道上進行數(shù)據(jù)讀寫時易發(fā)生偏離 ，差錯機率增大 。 目前最新的垂直級化技術(shù)可有效地降低干擾因素 。 硬盤的容量與碟片數(shù) 、 面密度關(guān)系密切 ，這兩項數(shù)值越大則容量越大 。 但是碟片數(shù)的增加會使硬盤體積增厚 ， 因此單碟容量的大小直接關(guān)系到整個硬盤容量的大小 ， 但隨著磁碟密度的提高 ， 磁頭就必須隨之越來越靈敏 。 磁盤的性能指標 ? （ 2） 轉(zhuǎn)速 ? 轉(zhuǎn)速是磁盤所有指標中除了容量之外最引人注目的性能參數(shù) ， 以每分鐘多少轉(zhuǎn) （ RPM） 為單位 。 轉(zhuǎn)速對于硬盤傳輸速度和持續(xù)傳輸速度至關(guān)重要 ， 轉(zhuǎn)速越快 ， 硬盤取得及傳送數(shù)據(jù)的速度也就越快 。 目前 ， 硬盤轉(zhuǎn)速大致有 4200RPM、5400RPM 、 7200RPM 、 10000RPM 和15000RPM。 磁盤的性能指標 ? （ 4） 緩存 ? 緩存也是磁盤相當重要的一個參數(shù) ， 其大小也會直接影響到磁盤的整體性能 。 在數(shù)據(jù)的讀取過程中 ， 硬盤里的控制芯片發(fā)出指令 ， 將系統(tǒng)指令正在讀取的簇的相鄰的下一個或幾個簇的數(shù)據(jù)讀入硬盤高速緩存 。 這樣 ， 當系統(tǒng)指令開始要讀取下一個簇的數(shù)據(jù)的時候 ， 硬盤便不需要重新開始一個讀取動作 ， 只需要將緩存中的數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)主存中去就行了 。 因此緩存容量的加大可以容納更多的預(yù)讀數(shù)據(jù) ， 這樣大大縮短系統(tǒng)等待的時間 。 目前主流硬盤的緩存通常為 8MB和 16MB。 磁盤的性能指標 ? （ 5） 傳輸速率 ? 傳輸速率分為內(nèi)傳輸速率與外傳輸速率 。 內(nèi)傳輸速率是從硬盤到緩存的傳輸速度 ， 外傳輸速率是從緩存到通信接口的傳輸速度 。 內(nèi)傳輸速率更能反映硬盤的實際表現(xiàn) ， 通常以每秒 MB為單位 。 目前 ， 主流硬盤的傳輸速度通常為50~100MB/S。 磁盤的性能指標 ? （ 3） 平均尋道時間 ? 平均尋道時間指的是磁頭到達目標數(shù)據(jù)所在磁道的平均時間 ， 它直接影響硬盤的隨機數(shù)據(jù)存取速度 。 影響平均尋道時間的主要決定因素是磁頭讀寫臂的運行速度 ， 另外也跟單碟容量有關(guān) 。 單碟容量越高說明單碟的磁道數(shù)越多 ， 磁道數(shù)的增加意味著磁道間距離的縮短 ， 而磁頭從一個磁道轉(zhuǎn)移到另一個磁道所需的就位時間就會縮短 ， 這將有助于隨機數(shù)據(jù)傳輸速度的提高 。而磁道內(nèi)線性磁密度的增加則和硬盤的持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速度有著直接的聯(lián)系 ， 磁頭技術(shù)的發(fā)展確保了這個增長不會因為磁頭的靈敏度的限制而放慢速度 。 所以在很多時候 ， 更高單碟容量的 5400RPM硬盤會比單碟容量較低的 7200RPM硬盤速度更加快 。 目前硬盤平均尋道時間大約在 10ms左右 。 磁盤調(diào)度（ 1） ? FCFS（ 先來先服務(wù) ） 調(diào)度 先查找先進入服務(wù)列隊的數(shù)據(jù) 。 例： 假設(shè)磁道數(shù)為 0——199， 我們申請調(diào)度的盤塊兒分別在 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 磁道上 。 當前硬盤磁頭在第 53號磁道 。 按照 FCFS順序：磁頭從 53號磁道開始移動 ， 按照 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 的順序依次查找 ， 并將數(shù)據(jù)輸入內(nèi)存 。 磁盤調(diào)度（ 2） ? SSTF（ 最短查找時間優(yōu)先 ） 調(diào)度 ? 考慮了各個請求之間的區(qū)別 ， 總是先執(zhí)行查找時間最短的那個請求 。 磁頭從 53號磁道開始移動 ， 按照 65, 67, 37, 14, 98, 122, 124, 183 的順序依次查找 ， 并將數(shù)據(jù)輸入內(nèi)存 。 磁盤調(diào)度（ 3） ? SCAN（ 掃描 ） 調(diào)度 ? 此種調(diào)度算法為磁臂由磁盤的一端開始 ， 移動到磁盤的另一端 ， 在移動過程中 ， 為訪問請求服務(wù) 。 然后調(diào)轉(zhuǎn)方向 ，從此端移動到另一端 。 磁頭從 53號磁道開始移動 ， 按照 37, 14, 0, 65, 67, 98, 122, 124, 183, 199的順序依次查找 ， 并將數(shù)據(jù)輸入內(nèi)存 。 磁盤調(diào)度（ 4） ? CSCAN（ 環(huán)形掃描 ） 調(diào)度 ? 移動臂總是從 0號柱面至最大號柱面順序掃描 ， 然后返回 0號柱面重復(fù)進行 。 磁頭從 53號磁道開始移動 ， 按照 65, 67, 98, 122, 124, 183, 199, 0, 14, 37的順序依次查找 (其中從199——0的過程中不做任何操作只是快速的移動 ） ， 并將數(shù)據(jù)輸入內(nèi)存 。 磁盤調(diào)度（ 5） ? LOOK（ 查找 ） 調(diào)度 （ 電梯 ） ? 電梯算法 。 磁臂僅移動到請求的最外道就回轉(zhuǎn) 。 反方向查找服務(wù) 。 磁頭從 53號磁道開始移動 ， 按照 65, 67, 98, 122, 124, 183, 14, 37的順序依次查找 ， 并將數(shù)據(jù)輸入內(nèi)存 。 RAID ? 廉價磁盤冗余陣列 （ RAID） ? Redundant Arrays of Inexpensive Disks ? 是一種利用大量廉價磁盤進行磁盤組織的技術(shù) ? 價格上 ， 大量廉價的磁盤比少量昂貴的大磁盤合算得多 ? 性能上 ， 使用大量磁盤可以提高數(shù)據(jù)的并行存取 ? 可靠性上 ， 冗余數(shù)據(jù)可以存放在多個磁盤上 ， 因此一個磁盤的故障不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失 ? 過去 RAID是大而昂貴的磁盤的替代方法；今天 ，使用 RAID是因為它的高可靠性和高數(shù)據(jù)傳輸率；因此 “I” 代表 independent， 而非 inexpensive RAID ? 通過冗余提高可靠性 ? N個磁盤組成的集合中某個磁盤發(fā)生故障的概率比特定的單個磁盤發(fā)生故障的概率高很多 ? 假定單個磁盤的 MTTF是 100,000小時 (約為 11年 )，則由 100個磁盤組成的陣列的 MTTF是 1000小時 (約為 41天 ) ? 冗余 （ Redundancy） ? 存儲額外的信息 ， 以便當磁盤故障時能從中重建 ? MTTF( Mean Time To Failure) 平均失效等待時間 RAID ? 鏡像 (Mirroring or shadowing) ? 一個邏輯磁盤由兩個物理磁盤組成 ， 寫操作在每個磁盤上執(zhí)行 ? 如果其中一個發(fā)生故障 ， 數(shù)據(jù)可以從另一個磁盤讀出 ? 只有第一個磁盤的故障尚未恢復(fù) ， 第二個磁盤也發(fā)生故障 ， 這時才會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失 ? 假定一個磁盤的 MTTF是 100,000小時 ， 修復(fù)時間是 10小時 ， 則鏡像磁盤系統(tǒng)的 MTTF是 100,0002/（ 2*10） =500*106小時 ， 約為 57000年 RAID ? 通過并行提高性能 ? 負載平衡多個小的存取操作 （ 即頁面存取 ） ， 以提高這種存取操作的吞吐量 ? 并行執(zhí)行大的存取操作 ， 以減少大的存取操作的響應(yīng)時間 ? 通過在多個磁盤上對數(shù)據(jù)進行拆分來提高傳輸率 ? 比特級拆分 （ Bitlevel striping） ? 將每個字節(jié)按比特分開 ， 存儲到多個磁盤上 ? 例如 ， 對于一個由 8個磁盤組成的陣列 ， 將每個字節(jié)的第 i個比特位寫到第 i個磁盤上；它的存取速度是單個磁盤的 8倍 ? 對于由 4個磁盤組成的陣列 ， 將每個字節(jié)的第 i個比特位和第 i+4個比特位寫到第 i個磁盤上 ? 塊級拆分 （ Blocklevel striping） ? 對于由 n個磁盤構(gòu)成的陣列 ， 文件的第 i塊 存放在第 (i mod n) + 1個磁盤上 RAID ? RAID級別 ? 鏡像提供高可靠性 ， 拆分提供高數(shù)據(jù)傳輸率 ， 通過利用與奇偶校驗相結(jié)合的磁盤拆分想法 ， 可以實現(xiàn)以較低成本提供冗余的方案 ? 不同的 RAID級別 ， 具有不同的代價 、 性能和可靠性 C P 代表數(shù)據(jù)的第二個拷貝 表示糾錯位 RAID 0 ? 塊級拆分且沒有任何冗余 （ 如鏡像或奇偶校驗位 ） 的磁盤陣列 ? 容錯性： 沒有 冗余類型： 沒有 讀性能： 高 隨機寫性能： 高 連續(xù)寫性能： 高 需要的磁盤數(shù)： 1個或多個 可用容量： 總的磁盤的容量 ? 用于高性能訪問并且數(shù)據(jù)丟失不十分重要的應(yīng)用場合 ， 無故障的迅速讀寫 ，要求安全性不高 ， 如圖形工作站等 。 RAID 0： 無冗余拆分 RAID 1 ? 帶塊級拆分的磁盤鏡像 ? 容錯性： 有 冗余類型： 復(fù)制 讀性能： 低 隨機寫性能： 低 連續(xù)寫性能： 低 需要的磁盤數(shù)： 只需 2個或 2*N個 可用容量： 只能用磁盤容量的 50% ? 一般用于類似于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中日志文件存儲的應(yīng)用場合 。 隨機數(shù)據(jù)寫入 ，要求安全性高 ， 如服務(wù)器 、 數(shù)據(jù)庫存儲領(lǐng)域 。 RAID 1： 無冗余拆分 C C C C 漢明碼 ? 漢明碼是一個在原有數(shù)據(jù)中插入若干校驗碼來進行錯誤檢查和糾正的編碼技術(shù) 。 ? 以典型的 4 位數(shù)據(jù)編碼為例 ， 漢明碼將加入 3 個校驗