【正文】 ? 操作系統(tǒng)中與磁盤(pán)管理相關(guān)的技術(shù)包括磁盤(pán)三維地址到一維地址的轉(zhuǎn)換 、 磁盤(pán)碎片的整理 、 磁盤(pán)高速緩存 、 磁盤(pán)調(diào)度策略 、 磁盤(pán)系統(tǒng)容錯(cuò) 、 RAID技術(shù)等 。 151 小結(jié) （續(xù)） ? 為了便于使用 ， 設(shè)備管理程序?yàn)橛脩?hù)提供的是邏輯設(shè)備 ， 而邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射和轉(zhuǎn)換由設(shè)備管理程序完成； ? 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的管理 ， 操作系統(tǒng)需要設(shè)立多種表格 ， 詳細(xì)記錄設(shè)備的分配和使用情況； ? 從資源管理的角度講 ， 設(shè)備可以分為獨(dú)占型設(shè)備和共享型設(shè)備兩大類(lèi) 。如圖： 148 P(1619) 塊 12 塊 8 塊 4 塊 0 塊 16 P(1215) 塊 9 塊 5 塊 1 塊 17 塊 13 P(811) 塊 6 塊 2 塊 18 塊 14 塊 10 P(47) 塊 3 塊 19 塊 15 塊 11 塊 7 P(03) 149 小結(jié) ? 設(shè)備管理功能 ? 常用設(shè)備分配技術(shù) ? I/O緩沖技術(shù) ? 磁盤(pán)工作原理 ? 磁盤(pán)調(diào)度算法 ? 磁盤(pán)陣列 RAID技術(shù) 150 小結(jié) （續(xù)） ? 設(shè)備 、 通道 、 控制器與主機(jī)間的連接方式通常是多對(duì)多的關(guān)系； ? 在主機(jī)的角度看 ， 所有設(shè)備都連接在 I/O總線上 ，它們通過(guò) I/O指令和某個(gè) I/O端口地址 、 中斷 、 通道 、控制器等與主機(jī)交流 ， 主機(jī)看不到這些設(shè)備具體細(xì)節(jié) 。 2. RAID5使用粗粒度的條帶 ， 將奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)分布到每一個(gè)磁盤(pán)中 ， 沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的奇偶校驗(yàn)盤(pán) ， 因而克服了 RAID3的缺點(diǎn) 。 147 RAID5 ? 與 RAID3類(lèi)似 ， 主要區(qū)別是： 1. RAID3使用一個(gè)磁盤(pán)專(zhuān)門(mén)存儲(chǔ)奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù) ， 對(duì)于每一個(gè)寫(xiě)操作 (可能僅是一個(gè)條帶 )， 均要寫(xiě)奇偶校驗(yàn)磁盤(pán) 。 ? 因此 ， N個(gè)磁盤(pán)中任意損壞一個(gè) ， 都不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失 。 144 RAID3 ? 同時(shí)使用了磁盤(pán)條帶化技術(shù) (細(xì)粒度 ， 條帶大小為一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字 )和奇偶校驗(yàn)容錯(cuò)技術(shù) ， 如圖所示 。 141 RAID的常見(jiàn)組織形式（ 6種） ? RAID Level 0 ? RAID Level 1 ? RAID Level 2 ? RAID Level 3 ? RAID Level 4 ? RAID Level 5 ? 還可對(duì)基本 RAID級(jí)別進(jìn)行組合 142 RAID0 ? 僅使用了條帶化技術(shù) ? 不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)信息 ? 能提供大容量 、 快速的磁盤(pán)存儲(chǔ)能力 ， ? 具備最好的讀 /寫(xiě)性能和最低的成本 ? 磁盤(pán)容量的利用率為 100% ? 但其安全性最低 ， 其中任何一個(gè)磁盤(pán)損壞便會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不可使用 。 ? 采用 RAID控制器方案的成本較高 ， 但其效率高 ， 不增加主機(jī)負(fù)擔(dān) 。 顯然，粗粒度的條帶只利于對(duì)多個(gè)獨(dú)立的存取請(qǐng)求進(jìn)行并行處理 139 ? 磁盤(pán)陣列管理軟件在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)還將存儲(chǔ)相關(guān)的校驗(yàn)信息； ? 使得當(dāng)磁盤(pán)陣列中的某個(gè)磁盤(pán)發(fā)生故障時(shí) ，磁盤(pán)陣列管理軟件可以恢復(fù)存儲(chǔ)在該磁盤(pán)上的數(shù)據(jù) 。 ? 若采用細(xì)粒度條帶，幾乎每個(gè)存取請(qǐng)求都會(huì)導(dǎo)致同時(shí)存取 RAID中的所有磁盤(pán)，使得無(wú)法同時(shí)響應(yīng)多個(gè)存取請(qǐng)求。 — 磁盤(pán)陣列管理軟件把邏輯上連續(xù)的一組數(shù)據(jù)交叉分布存儲(chǔ)在磁盤(pán)陣列中的各個(gè)磁盤(pán)上 ，如圖 136 物理磁盤(pán)0 條帶 15 條帶 14 條帶 13 條帶 12 條帶 11 條帶 10 條帶 9 條帶 8 條帶 7 條帶 6 條帶 5 條帶 4 條帶 3 條帶 2 條帶 1 條帶 0 條帶 12 條帶 8 條帶 4 條帶 0 條帶 13 條帶 9 條帶 5 條帶 1 條帶 14 條帶 10 條帶 6 條帶 2 條帶 15 條帶 11 條帶 7 條帶 3 物理磁盤(pán)1 物理磁盤(pán)2 物理磁盤(pán)3 邏輯磁盤(pán) 磁盤(pán)陣列 管理軟件 137 ? 這種技術(shù)通常被稱(chēng)為磁盤(pán)條帶化 (Disk Striping) ? 其好處是數(shù)據(jù)可以被并行讀出 ， 給主機(jī)的感覺(jué)是磁盤(pán)快了許多倍 。 ? 從容錯(cuò)的角度講， RAID技術(shù)應(yīng)屬第二級(jí)容錯(cuò)技術(shù)，但其內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止容錯(cuò)。 133 RAID技術(shù) ? RAID(Redundant Array of Independent/ Inexpensive Disks)：獨(dú)立或廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列，其中， ? “獨(dú)立”是目前通用的一個(gè)行業(yè)術(shù)語(yǔ)，強(qiáng)調(diào)RAID陣列的重要性和可靠性； ? “廉價(jià)”是較早使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，重在強(qiáng)調(diào)RAID磁盤(pán)陣列中采用的相對(duì)較小的、價(jià)格較便宜的磁盤(pán)。 ? 對(duì)兩個(gè)磁盤(pán)的寫(xiě)入是 并行 進(jìn)行，速度較快 。 主 機(jī) 通道 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 磁盤(pán)控制器 磁盤(pán)控制器 通道 132 磁盤(pán)雙工 vs. 磁盤(pán)鏡像 ? 磁盤(pán)雙工的成本較高 。 主 機(jī) 磁盤(pán)控制器 通道 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 131 磁盤(pán)雙工 ? 將兩臺(tái)完全相同的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器連接到兩個(gè)磁盤(pán)控制器上，如圖。 包括： 1. 磁盤(pán)鏡像 2. 磁盤(pán)雙工 130 磁盤(pán)鏡像 ? 在同一磁盤(pán)控制器上 ， 連接兩個(gè)完全相同的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 ， 如圖 。 若重寫(xiě)后兩者仍不一致 ， 則認(rèn)為該磁盤(pán)塊有缺陷 ， 便將該塊標(biāo)識(shí)為壞塊 ， 相應(yīng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入熱修復(fù)重定向區(qū)中 。 ? 寫(xiě)后讀校驗(yàn) 是指 ， 每次將數(shù)據(jù)寫(xiě)到磁盤(pán)以后 ， 立即從磁盤(pán)上讀出該塊數(shù)據(jù) ， 并進(jìn)行對(duì)比 。 ? 每當(dāng)系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)，都要對(duì)這兩份目錄和 FAT進(jìn)行檢查，以保證它們的一致性。 126 第一級(jí)容錯(cuò)技術(shù) ? 最早出現(xiàn)、最基本的容錯(cuò)技術(shù)，包括： 1. 雙份目錄和雙份文件分配表 2. 熱修復(fù)重定向和寫(xiě)后讀校驗(yàn) 127 雙份目錄和雙份文件分配表 ? 文件目錄和文件分配表 FAT是文件管理所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可在不同的磁盤(pán)上或同一磁盤(pán)的不同區(qū)域中，分別建立維護(hù)兩份目錄和 FAT。冗余部件包括增加冗余的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、磁盤(pán)控制器等，使得當(dāng)磁盤(pán)系統(tǒng)某部分出現(xiàn)缺陷或故障時(shí)，磁盤(pán)仍能正常工作，且不至于造成數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤和丟失。因此，要求保證磁盤(pán)數(shù)據(jù)的 可靠性 。 123 磁盤(pán)管理的另一個(gè)有效方法 ? 高性能的文件系統(tǒng) —— 磁盤(pán)碎片整理，使磁盤(pán)文件盡量連續(xù) 124 磁盤(pán)容錯(cuò)技術(shù) ? 磁盤(pán)中常常存儲(chǔ)著非常重要的數(shù)據(jù)，例如交易數(shù)據(jù)、帳目數(shù)據(jù)、學(xué)生成績(jī)等。 2. 周期性地進(jìn)行寫(xiě)。 ? 當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程請(qǐng)求向磁盤(pán)上 寫(xiě)出 一個(gè)扇區(qū)時(shí)，系統(tǒng)同樣首先在 disk cache中尋找該扇區(qū)的副本 如果能夠找到，那么系統(tǒng)將根據(jù)用戶(hù)進(jìn)程的請(qǐng)求修改該扇區(qū)的副本； 否則，系統(tǒng)同樣首先從磁盤(pán)上讀入該扇區(qū)并在 disk cache中為其建立一 個(gè)副本，然后根據(jù)用戶(hù)進(jìn)程的請(qǐng)求修改該副本。如果系統(tǒng)使用 SCAN算法，還假定磁頭當(dāng)前的移動(dòng)方向?yàn)榇诺捞?hào)增長(zhǎng)的方向。 116 磁盤(pán)調(diào)度算法小結(jié) ? FCFS ? SSTF ? SCAN ? NSCAN 117 例子 ? 假定 ： 當(dāng)前有 9個(gè)磁盤(pán)讀寫(xiě)請(qǐng)求；這 9個(gè)磁盤(pán)讀寫(xiě)請(qǐng)求要訪問(wèn)的磁道號(hào)按照各個(gè)磁盤(pán)讀寫(xiě)請(qǐng)求到達(dá)的次序依次為： 5 53 1 90、 160、 150、 3 184。 ? 文件的存儲(chǔ)方式對(duì)系統(tǒng)訪問(wèn)文件的效率的影響主要在于：訪問(wèn)文件總的尋道時(shí)間和總的旋轉(zhuǎn)延遲。顯然， 如果一個(gè)長(zhǎng)度為128K個(gè)字節(jié)的文件存放在該硬盤(pán)上，那么該文件將在該硬盤(pán)上占用 256個(gè)扇區(qū)。 ? 因此 ， 人們經(jīng)常使用 MSDOS、 Windows等操作系統(tǒng)提供的磁盤(pán)碎片整理功能 ， 以提高系統(tǒng)工作效率 。 ? 如果一個(gè)文件在物理上存儲(chǔ)得較分散 ， 盡管不影響系統(tǒng)的正確性 ， 但卻使提前讀操作失效 ， 反而降低系統(tǒng)效率 。 ? 使用緩存需要基于兩個(gè)要素：一是訪問(wèn)頻率 ， 二是基于局部性原理的提前讀技術(shù) 。 為了充分利用存儲(chǔ)空間 ， 新建文件常分散存儲(chǔ) 。 ? 為什么把文件分散存儲(chǔ)呢 ？ ? 在系統(tǒng)建立的初期 ， 文件都是連續(xù)存儲(chǔ)的 。這種高速緩存通常被稱(chēng)為“寫(xiě)穿透高速緩存 (writethrough cache)”，相當(dāng)于只有讀緩存而沒(méi)有寫(xiě)緩存，其風(fēng)險(xiǎn)最低，效率也最低。這種策略風(fēng)險(xiǎn)最大，效率高； 2. 周期性地進(jìn)行寫(xiě)。操作系統(tǒng)必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)?shù)據(jù)真正寫(xiě)到磁盤(pán)。 104 磁盤(pán)高速緩存的數(shù)據(jù)安全性 ? 讀操作不存在安全問(wèn)題； ? 寫(xiě)操作對(duì)進(jìn)程而言數(shù)據(jù)已寫(xiě)出。 103 磁盤(pán)高速緩存的實(shí)現(xiàn)形式 ? 在內(nèi)存中單獨(dú)開(kāi)辟一個(gè)大小固定的存儲(chǔ)空間作為磁盤(pán)高速緩存區(qū) 。 ? 對(duì)于高檔的服務(wù)器而言 ， 大的硬件緩存更能提高磁盤(pán) I/O的性能 。 ? 與磁盤(pán)機(jī)本身所帶的緩存以及磁盤(pán)控制器所帶的緩存相比，磁盤(pán)機(jī)和磁盤(pán)控制器上的緩存的特點(diǎn)： 1. 容量較小； 2. 利用此類(lèi)緩存進(jìn)行數(shù)據(jù)提前讀和延后寫(xiě)操作能與主機(jī)并行工作。 ? 在一次掃描期間內(nèi)新到達(dá)的訪問(wèn)請(qǐng)求將只能放在下一次掃描期間完成處理 ， 無(wú)論這些新的請(qǐng)求是否處于一次掃描的服務(wù)途中 。 ? 當(dāng) N值取得很大時(shí) ， N步掃描算法的性能與SCAN算法的性能相當(dāng)；當(dāng) N取值為 1時(shí) ， N步掃描算法退化為 FCFS算法 。 98 掃描算法 Scan ? 這種算法比較公平 ， 效率很高； ? 但是 ， 若在某一段時(shí)間內(nèi)某一磁道的訪問(wèn)請(qǐng)求不斷 ， 則磁頭引臂將停留在該磁道上不動(dòng)（ 稱(chēng)為磁臂粘著 ） ， 磁盤(pán)被相應(yīng)的進(jìn)程壟斷 ，所有其他磁道上的請(qǐng)求將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)得不到服務(wù) 。 然后判斷當(dāng)前磁道以?xún)?nèi)的磁道是否還有訪問(wèn)請(qǐng)求 ， 如果有 ， 則磁頭繼續(xù)向內(nèi)磁道方向移動(dòng)；否則 ， 判斷當(dāng)前磁道以外的磁道是否有訪問(wèn)請(qǐng)求 ， 若有 ， 則磁頭掉轉(zhuǎn)方向朝外移動(dòng) 。其具體過(guò)程為： ? 假定開(kāi)始時(shí)磁頭處于最外磁道 ， 并向內(nèi)磁道方向移動(dòng) 。 ? 例如 ， 對(duì)于上述服務(wù)請(qǐng)求 ， 按照 SSTF算法 ， 則系統(tǒng)將按如下次序?yàn)檫M(jìn)程提供服務(wù) ， 磁頭移動(dòng)的磁道數(shù)為 6+16+8+95+2＝ 127， 效率比 FCFS高了許多 。 ? 因此 ， 這種簡(jiǎn)單的算法只適合于負(fù)載很輕的系統(tǒng) 。 這是最公平 、 最簡(jiǎn)單的算法 ， 但是效率非常低 。 因此 ，必須采用適當(dāng)?shù)拇疟P(pán)調(diào)度算法 ， 使得在盡可能公平的情況下 ， 縮短平均尋道時(shí)間 ， 并使磁頭移動(dòng)距離最小 。 93 磁盤(pán)調(diào)度算法 ? 當(dāng)有多個(gè)進(jìn)程都請(qǐng)求訪問(wèn)磁盤(pán)時(shí) ， 他們?cè)L問(wèn)的位置(這里主要關(guān)心磁道 )各不一樣 ， 磁頭需要來(lái)回頻繁移動(dòng)進(jìn)行尋道操作 。 92 調(diào)整磁盤(pán) I/O性能 ? 磁盤(pán)的平均尋道時(shí)間和轉(zhuǎn)速是固定不變的 。 91 ? 綜上所述 ， 傳統(tǒng)上影響磁盤(pán) I/O性能的主要技術(shù)指標(biāo)是 平均尋道時(shí)間 和 轉(zhuǎn)速 ， 轉(zhuǎn)速則影響平均旋轉(zhuǎn)延遲和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間 。 90 緩存 ? 當(dāng)緩存足夠大時(shí) ， 對(duì)于寫(xiě)操作 ， 盡管數(shù)據(jù)并未真正寫(xiě)到磁盤(pán)上 ， 但它給主機(jī)的印象就是寫(xiě)操作已 “ 非?？?” 地完成 (延后寫(xiě) )；對(duì)于讀操作 ， 盡管是讀一扇區(qū) ， 但磁盤(pán)卻將整條磁道的數(shù)據(jù)都讀入緩存中