【正文】 些磁頭可訪問所有各磁道，并進(jìn)行 并行讀 /寫 ，有效地 提高了磁盤的 I/O速度 。這種結(jié)構(gòu)的磁盤主要用于 大容量磁盤 ? 移動(dòng)頭磁盤 ? 每一個(gè)盤面僅配有一個(gè)磁頭 ，也被裝入磁臂中。為能訪問該盤面上的所有磁道，該磁頭必須能移動(dòng)以進(jìn)行尋道?？梢?，移動(dòng)磁頭僅能以 串行方式讀 /寫 ，致使其 I/O速度較慢 ；但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 故仍廣泛應(yīng)用于 中小型磁盤 設(shè)備中。 磁盤性能簡(jiǎn)述 ? 磁盤訪問時(shí)間 ? 尋道時(shí)間 Ts ? 把磁臂 (磁頭 )移動(dòng)到指定磁道上所經(jīng)歷的時(shí)間。該時(shí)間是啟動(dòng)磁臂的時(shí)間 s與磁頭移動(dòng) n條磁道所花費(fèi)的時(shí)間之和， 即 Ts=m n+s ? 旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間 Tτ ? 指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下面所經(jīng)歷的時(shí)間。如：7200r/min 每轉(zhuǎn) =60000ms/7200r= 平均旋轉(zhuǎn)延遲 =（ 0+)/2= 啟動(dòng)磁臂時(shí)間 2ms 常數(shù)，與磁盤驅(qū)動(dòng)器的速度有關(guān) 一般： 高速： = 磁盤性能簡(jiǎn)述 ? 磁盤訪問時(shí)間 ? 傳輸時(shí)間 Tt ? 指把數(shù)據(jù)從磁盤讀出或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間。 其大小與每次所讀 /寫的字節(jié)數(shù) b和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān) ? r為磁盤每秒鐘的轉(zhuǎn)數(shù)； N為一條磁道上的字節(jié)數(shù) ? Tτ和 Tt相同，則訪問時(shí)間 =Ts + Tτ+ Tt rNbTt ?如 b=N/2，則 Tτ=1/(2r)=Tt 可見，尋道時(shí)間 TS和旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間 Tτ基本上都與所讀 /寫數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)無(wú)關(guān)，而且它通常占據(jù)了訪問時(shí)間中的大部分 目前磁盤的傳輸速率已達(dá)到 80MB/s以上，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間所占的比例更低?？梢?，適當(dāng)?shù)丶袛?shù)據(jù)傳輸，將有利于提高傳輸效率 磁盤性能簡(jiǎn)述 尋道時(shí)間 旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間 傳輸時(shí)間 磁盤性能簡(jiǎn)述 ? 磁盤訪問時(shí)間 尋道時(shí)間 : 20ms 磁盤通道傳輸速率 : 1MB/s 轉(zhuǎn)速 r=3600rpm 每扇區(qū) 512字節(jié) 每磁道 32 扇區(qū) 目標(biāo)：讀 128k 數(shù)據(jù) TS： TS=m*n+S； Tr： Tr＝ 1/2r Tt ： Tt＝ b/rN 訪問時(shí)間： Ta=Ts+1/2r+b/rN 60*16k=960k1MB/s 順序組織 (20＋ ＋ )＋ (＋ ) 7＝ 220(ms) 隨機(jī)組織 (20＋ ＋ ) 256＝ 7373(ms) 磁盤調(diào)度 ? 先來先服務(wù) FCFS(FirstCome, First Served) ? 根據(jù)進(jìn)程請(qǐng)求訪問磁盤的先后次序進(jìn)行調(diào)度 ? 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、公平，不會(huì)出現(xiàn)請(qǐng)求長(zhǎng)期得不到滿足； ? 缺點(diǎn)：未優(yōu)化，平均尋道時(shí)間長(zhǎng)。 磁盤調(diào)度 磁盤調(diào)度 ? 最短尋道時(shí)間優(yōu)先 SSTF(Shortest Seek Time First) ? 要求訪問的磁道與當(dāng)前磁頭所在的磁道距離最近。 ? 優(yōu)點(diǎn)：使每次尋道時(shí)間最短； ? 缺點(diǎn)：不能保證平均尋道時(shí)間最短；可能導(dǎo)致距離遠(yuǎn)的進(jìn)程總也得不到服務(wù)。 磁盤調(diào)度 磁盤調(diào)度 ? 掃描 (SCAN)算法 ? 進(jìn)程“饑餓”現(xiàn)象 ? SSTF算法雖然能獲得較好的尋道性能，但卻可能導(dǎo)致某個(gè)進(jìn)程發(fā)生“饑餓” (Starvation)現(xiàn)象。 0 50 160 磁盤調(diào)度 ? 掃描 (SCAN)算法 ? SCAN算法過程 ? ① 磁臂從磁盤的一端開始移動(dòng)； ? ② 向另一端移動(dòng)； ? ③ 同時(shí)當(dāng)磁頭移過每個(gè)柱面時(shí)，處理位于該柱面上的服務(wù)請(qǐng)求； ? ④ 當(dāng)?shù)竭_(dá)另一端時(shí)，磁頭改變移動(dòng)方向，處理繼續(xù)； ? ⑤ 磁頭在磁盤上來回掃描。 ? 又稱“電梯”算法。 磁盤調(diào)度 磁盤調(diào)度 ? 循環(huán)掃描 (CSCAN)算法 ? SCAN方法的缺點(diǎn)：剛移過的磁道的等待時(shí)間長(zhǎng)。 ? 規(guī)定磁頭單向移動(dòng)。 ? 減少剛移過的磁道的等待時(shí)間。 磁盤調(diào)度 磁盤調(diào)度 ? NStepSCAN和 FSCAN調(diào)度算法 ? NStepSCAN算法 ? 在 SSTF、 SCAN及 CSCAN幾種調(diào)度算法中， 都可能出現(xiàn)磁臂停留在某處不動(dòng)的情況，稱為“ 磁臂粘著 ” (Armstickiness)。 ? N步 SCAN算法是將磁盤請(qǐng)求隊(duì)列分成若干個(gè)長(zhǎng)度為N的子隊(duì)列，磁盤調(diào)度將按 FCFS算法依次處理這些子隊(duì)列。 而每處理一個(gè)隊(duì)列時(shí)又是按 SCAN算法，對(duì)一個(gè)隊(duì)列處理完后，再處理其他隊(duì)列。 ? FSCAN算法 ? FSCAN算法是 N步 SCAN算法的簡(jiǎn)化， 即其只將磁盤請(qǐng)求隊(duì)列分成兩個(gè)子隊(duì)列。一是由當(dāng)前所有請(qǐng)求I/O的進(jìn)程形成的隊(duì)列，由磁盤調(diào)度按 SCAN算法進(jìn)行處理。在掃描期間，新出現(xiàn)的所有請(qǐng)求 I/O的進(jìn)程， 則放入另一個(gè)等待處理的請(qǐng)求隊(duì)列。 當(dāng) N值很大時(shí)， N步掃描性能接近于 SCAN性能； N=1， N步掃描性能便退化為 FCFS 磁盤高速緩存 ? 磁盤高速緩存的形式 ? 利用 內(nèi)存 中的存儲(chǔ)空間，來暫存從 磁盤 中讀出的一系列盤塊中的信息 ? 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 ? 在內(nèi)存中的形式 ? 在內(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，其大小是固定的 ? 把所有 未利用的內(nèi)存空間變?yōu)橐粋€(gè)緩沖池 ，供請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)和磁盤 I/O時(shí) (作為磁盤高速緩存 )共享 不受應(yīng)用程序多少的限制 應(yīng)用程序多時(shí)緩存可能很小 磁盤高速緩存 ? 數(shù)據(jù)交付方式 ? 數(shù)據(jù)交付（ Data Delivery） 是指將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請(qǐng)求者進(jìn)程 ? 當(dāng)有進(jìn)程請(qǐng)求訪問某個(gè)盤塊時(shí)，先查看磁盤高速緩存 ? 兩種方式 ? 數(shù)據(jù)交付 。直接將高速緩存中的數(shù)據(jù)， 傳送到請(qǐng)求者進(jìn)程的內(nèi)存工作區(qū)中。 ? 指針交付 。只將指向高速緩存中某區(qū)域的指針，交付給請(qǐng)求者進(jìn)程。 所傳送的數(shù)據(jù)量少，節(jié)省了數(shù)據(jù)從磁盤高速緩存存儲(chǔ)空間到進(jìn)程的內(nèi)存工作區(qū)的時(shí)間 磁盤高速緩存 ? 置換算法 ? 將磁盤中的盤塊寫入高速緩存時(shí)，會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楦咚倬彺嬷幸蜒b滿盤塊而需要將高速緩存中的數(shù)據(jù)先換出的問題，常用算法有 LRU、 NRU、LFU等 ? 除了考慮 LRU外，還需考慮以下幾點(diǎn) ? 訪問頻率 ? 可預(yù)見性，如正在寫數(shù)據(jù)的未滿盤塊 ? 數(shù)據(jù)的一致性 內(nèi)存中已修改數(shù)據(jù)要寫回磁盤 可將高速緩存中的所有盤塊數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè) LRU鏈，將會(huì)影響到數(shù)據(jù)一致性的盤塊和 很久都不可能再用 的盤塊放在LRU鏈的鏈頭，使其優(yōu)先被寫回磁盤，不久后還要再使用的盤塊放到鏈尾 磁盤高速緩存 ? 周期性寫回磁盤 ? 在 LRU算法中，經(jīng)常被訪問的盤塊數(shù)據(jù)可能一直保留在高速緩存中，長(zhǎng)期不被寫回磁盤 ? 在 UNIX系統(tǒng)中專門增設(shè)了一個(gè) 修改 (update)程序， 使之在后臺(tái)運(yùn)行，該程序周期性地調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用 SYNC。該調(diào)用的主要功能是強(qiáng)制性地將所有在高速緩存中已修改的盤塊數(shù)據(jù)寫回磁盤 ? 在 MSDOS中所采用的方法是：只要高速緩存中的某盤塊數(shù)據(jù)被修改，便立即將它寫回磁盤，并將這種高速緩存稱為“ 寫穿透、高速緩存” (writethrough cache)。 提高磁盤 I/O速度的其它方法 ? 提前讀（ ReadAhead） ? 在讀當(dāng)前塊的同時(shí)，將下一盤塊讀入緩沖區(qū) ? 延遲寫 ? 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不立即寫回磁盤，而掛在隊(duì)尾 ? 優(yōu)化物理塊分布 ? 使文件的物理塊集中，減小磁頭移動(dòng)距離 ? 分配時(shí)以簇（若干個(gè)盤塊 ）為單位 ? 磁盤碎片整理 ? 虛擬盤 ? 利用內(nèi)存空間仿真磁盤，又稱為 RAM盤。 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? 廉價(jià)磁盤冗余陣列 RAID(Redundant Array of Inexpensive Disk)， 1987年由美國(guó)加州大學(xué)提出。 ? 過去 RAID是由許多小的便宜磁盤組成的，可作為大的昂貴磁盤的有效替代品。 ? 現(xiàn)在 RAID的使用主要是因?yàn)槠涓呖煽啃院透邤?shù)據(jù)傳輸率，而不是經(jīng)濟(jì)原因。 ? 利用一臺(tái)磁盤陣列控制器統(tǒng)一管理和控制一組磁盤驅(qū)動(dòng)器，組成一個(gè)可靠的、快速的大容量磁盤系統(tǒng)。 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? 并行交叉存取 —— 提高數(shù)據(jù)傳輸速度 ? 將一個(gè)盤塊中的數(shù)據(jù)分成若干個(gè)子盤塊數(shù)據(jù)，分別存儲(chǔ)在不同磁盤的相同位置上。數(shù)據(jù)傳送時(shí)采用并行傳輸方式。 ? 主要目的：通過負(fù)載平衡，增加了多個(gè)小訪問（即頁(yè)訪問）的吞吐量，降低大訪問的響應(yīng)時(shí)間 1 2 3…N 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID的分級(jí) ? 磁盤冗余 —— 改善可靠性 ? 復(fù)制每個(gè)磁盤，這種技術(shù)稱為鏡像 ? 鏡像提高可靠性，但很昂貴，分散提供了高數(shù)據(jù)傳輸率，但并未改善可靠性，通過磁盤分散和“奇偶”位可以提供多種方案以在低代價(jià)下提供冗余，這些方案有不同的性價(jià)折中，可分成不同級(jí)別，稱為 RAID級(jí)別 。 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID的分級(jí) ? RAID 0級(jí)。 ? RAID 1級(jí)。 ? RAID 2級(jí)。 ? RAID 3級(jí)。 ? RAID 4級(jí)。 ? RAID 5級(jí)。 ? RAID 6級(jí)和 RAID 7級(jí)。 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID 0級(jí) ? 不冗余 ? 不校驗(yàn) ? 分布式存儲(chǔ) ? 低可靠性 ? 低價(jià)格 ? 并行 I/O 訪問 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID 0級(jí) 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID 1級(jí) ? 分布存放 ? 鏡像冗余 ? 不校驗(yàn) 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? 與 RAID0比較 ? 讀性能比 RAID 0好 (選擇尋道時(shí)間小的磁盤訪問 ) ? 寫性能比 RAID 0差 ? 存儲(chǔ)開銷大 ? 可靠性高 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID2級(jí) ? 漢明碼校驗(yàn)冗余。 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID3級(jí) ? 用一個(gè)校驗(yàn)盤。 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID4級(jí) ? BlockLevel Parity 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID5級(jí) ? 基于塊級(jí)的分布式校驗(yàn)，無(wú)校驗(yàn)盤。 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID6和 RAID7 ? RAID6中，設(shè)置了一個(gè)專用的、可快速訪問的異步校驗(yàn)盤，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)訪問通路。 ? RAID7是對(duì) RAID6改進(jìn)，具有較高的傳輸速率和優(yōu)異的性能。 廉價(jià)磁盤冗余陣列 ? RAID的優(yōu)點(diǎn) ? 可靠性高 ? 采用容錯(cuò)技術(shù) ? 可實(shí)現(xiàn)鏡像、雙工等冗余方式 ? 磁盤 I/O速度高 ? 采用并行交叉存取，提高速度 ? 性能 /價(jià)格比高 ? 與其他高性能磁盤系統(tǒng)相比，容量、速度、可靠性高，但價(jià)格低。 The end of chapter 5 演講完畢，謝謝觀看！