第9章磁盤存儲(chǔ)器管理

1、內(nèi)容磁盤I/O外存分配方法空閑存儲(chǔ)空間的管理磁盤容錯(cuò)技術(shù)文件系統(tǒng)性能的改善數(shù)據(jù)(shj)一致性控制第九章 磁盤(c pn)存儲(chǔ)器管理共四十一頁目的(md)及要求了解磁盤的性能和早期的磁盤調(diào)度算法，掌握各種掃描算法；領(lǐng)會(huì)和掌握常用的外存分配方法：連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配；理解和掌握空閑存儲(chǔ)空間的管理機(jī)制；了解各級(jí)磁盤容錯(cuò)技術(shù)；了解提高文件訪問的快速性的各種手段；了解數(shù)據(jù)一致性控制的基本方法。第九章 磁盤(c pn)存儲(chǔ)器管理共四十一頁重點(diǎn)各種掃描算法(sun f)；常用的外存分配方法：連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配；空閑存儲(chǔ)空間的管理機(jī)制；難點(diǎn)成組鏈接法外存分配與回收；理解和掌握空閑存儲(chǔ)空間的

2、管理機(jī)制；廉價(jià)磁盤冗余陣列磁盤容錯(cuò)技術(shù)；數(shù)據(jù)一致性并發(fā)控制。第九章 磁盤(c pn)存儲(chǔ)器管理共四十一頁主要任務(wù)分配空間組織(zzh)文件的存取方式提高磁盤儲(chǔ)存空間的利用率提高I/O速度保證文件系統(tǒng)的可靠性第九章 磁盤(c pn)存儲(chǔ)器管理共四十一頁提高I/O速度的主要途徑：選擇性能好的磁盤采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)度(diod)算法設(shè)置磁盤高速緩沖區(qū)9.1.1 磁盤性能簡(jiǎn)述9.1.2 磁盤調(diào)度算法9.1 磁盤(c pn)I/O共四十一頁數(shù)據(jù)的組織盤片（Platter ）磁盤最基本的組成部分(z chn b fn)是由堅(jiān)硬金屬材料制成的涂以磁性介質(zhì)的盤片，不同容量硬盤的盤片數(shù)不等。每個(gè)盤片有兩面，都可記錄信

3、息。磁道 (Tracks)盤片表面上以盤片中心為圓心，不同半徑的同心圓稱為磁道。扇區(qū)(Sectors) 盤片被分成許多扇形的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域叫一個(gè)扇區(qū)，硬盤每個(gè)扇區(qū)可存儲(chǔ)512字節(jié)信息。FAT32模式下，每個(gè)扇區(qū)的容量為4KB。每個(gè)扇區(qū)的大小相當(dāng)與一個(gè)盤塊。9.1.1 磁盤(c pn)性能簡(jiǎn)述共四十一頁9.1.1 磁盤(c pn)性能簡(jiǎn)述磁頭(Heads)每個(gè)盤片的每一面都會(huì)有一個(gè)讀寫頭（read-write head），來讀取相應(yīng)盤面的內(nèi)容。習(xí)慣用磁頭號(hào)來區(qū)分。柱面 (Cylinders)不同(b tn)盤片相同半徑的磁道所組成的圓柱稱為柱面。磁道與柱面都是表示不同半徑的圓，在許多場(chǎng)合，磁道和

4、柱面可以互換使用。共四十一頁9.1.1 磁盤(c pn)性能簡(jiǎn)述柱面扇區(qū)磁臂磁頭(ctu)共四十一頁9.1.1 磁盤(c pn)性能簡(jiǎn)述扇區(qū)，磁道（或柱面）和磁頭數(shù)構(gòu)成了硬盤結(jié)構(gòu)(jigu)的基本參數(shù)，這些 參數(shù)可以得到硬盤的容量，基計(jì)算公式為： 存儲(chǔ)容量磁頭數(shù)磁道（柱面）數(shù)每道扇區(qū)數(shù)每扇區(qū)字節(jié)數(shù)1.44M =28018512 共四十一頁磁盤的類型固定頭磁盤每條磁道上都有一個(gè)讀/寫磁頭，所有(suyu)的磁頭被裝入一個(gè)磁臂通過這些磁頭可以訪問所有磁道，并進(jìn)行并行讀寫主要用于大容量磁盤移動(dòng)頭磁盤每個(gè)盤面僅有一個(gè)磁頭，被裝入一個(gè)磁臂中為能訪問盤面上的所有磁道，該磁頭必須移動(dòng)以進(jìn)行尋道只能串行讀/寫

5、，致使I/O速度較慢結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用中、小型磁盤，微機(jī)上的硬盤和軟盤，都采用移動(dòng)磁頭結(jié)構(gòu)9.1.1 磁盤(c pn)性能簡(jiǎn)述共四十一頁磁盤訪問時(shí)間尋道時(shí)間（seek time）Ts把磁頭(ctu)從當(dāng)前位置移到指定磁道所經(jīng)歷的時(shí)間。 Ts=m*n+ss-磁盤的啟動(dòng)時(shí)間,大約3ms；m-每移動(dòng)一條磁道所經(jīng)歷的時(shí)間，對(duì)一般磁盤：m0.3ms，對(duì)高速磁盤：m0.1ms；n-移動(dòng)的磁道數(shù)目；9.1.1 磁盤(c pn)性能簡(jiǎn)述共四十一頁旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間（rotational latency time）Tr指定(zhdng)扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下所經(jīng)歷的時(shí)間 Tr=1/2r （平均情況下，需要旋轉(zhuǎn)半圈）r磁盤以

6、秒計(jì)的旋轉(zhuǎn)速度一個(gè)7200（轉(zhuǎn)/每分鐘）的硬盤，則旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間為601000720024.17毫秒。一個(gè)5400（轉(zhuǎn)/每分鐘）的硬盤，旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間為601000540025.56毫秒。一個(gè)300/600（轉(zhuǎn)/每分鐘）軟盤，平均旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間為6010003002100毫秒, 601000600250毫秒。9.1.1 磁盤(c pn)性能簡(jiǎn)述共四十一頁傳輸時(shí)間Tt數(shù)據(jù)從磁盤(c pn)讀出，或向磁盤(c pn)寫數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間，約為零點(diǎn)幾個(gè)毫秒,可以忽略不計(jì)。Ttb/rNb讀寫的字節(jié)數(shù) r磁盤以秒計(jì)的旋轉(zhuǎn)速度N一條磁道上的字節(jié)數(shù)訪問時(shí)間Ta=Ts+Tr+Tt=(m*n+s)+1/2r+b/rN9

7、.1.1 磁盤(c pn)性能簡(jiǎn)述共四十一頁移動(dòng)磁頭磁道為哪個(gè)進(jìn)程服務(wù)(fw)旋轉(zhuǎn)磁盤扇區(qū)為哪個(gè)進(jìn)程服務(wù)目標(biāo)各進(jìn)程對(duì)磁盤的平均訪問時(shí)間（主要是平均尋道時(shí)間，即平均移動(dòng)的磁道數(shù)目）最小9.1.2 磁盤(c pn)調(diào)度算法共四十一頁先來先服務(wù)FCFS（First-Come,First-Served）最簡(jiǎn)單的磁盤調(diào)度算法，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)公平、簡(jiǎn)單，每個(gè)進(jìn)程的請(qǐng)求都能依次得到處理(chl)，不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)進(jìn)程長時(shí)間得不到滿足的情況。缺點(diǎn)未對(duì)尋道進(jìn)行優(yōu)化，平均尋道時(shí)間可能較長9.1.2 磁盤(c pn)調(diào)度算法共四十一頁9.1.2 磁盤(c pn)調(diào)度算法從100磁道開始被訪

8、問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）5545583391918219072160701501038112184146平均尋道長度：55.3共四十一頁最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF（Shortest Seek Time First）選擇要訪問的磁道與當(dāng)前磁頭所在的磁道距離最近的進(jìn)程優(yōu)點(diǎn)每次的尋道時(shí)間最短缺點(diǎn)(qudin)不能保障平均尋道時(shí)間最短,出現(xiàn)進(jìn)程“饑餓”現(xiàn)象9.1.2 磁盤調(diào)度(diod)算法共四十一頁9.1.2 磁盤(c pn)調(diào)度算法從100磁道開始被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）901058325533916387218201501321601018424平均尋道長度：27.4共四十

9、一頁掃描算法SCAN進(jìn)程“饑餓”現(xiàn)象在SSTF中，若不斷有新進(jìn)程到來，且其訪問的磁道與當(dāng)前磁道的距離較近，這種進(jìn)程被優(yōu)先執(zhí)行，而老進(jìn)程一直得不到滿足。SCAN算法不僅考慮訪問的磁道與當(dāng)前磁道的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭的當(dāng)前移動(dòng)方向，又稱電梯調(diào)度算法。優(yōu)點(diǎn)較好的尋道性能(xngnng)，又能防止進(jìn)程“饑餓”現(xiàn)象，被廣泛應(yīng)用與大、中、小型機(jī)及網(wǎng)絡(luò)中的磁盤調(diào)度缺點(diǎn)可能使進(jìn)程的請(qǐng)求被嚴(yán)重推遲9.1.2 磁盤調(diào)度(diod)算法共四十一頁9.1.2 磁盤調(diào)度(diod)算法從100磁道開始，向磁道號(hào)增加的方向移動(dòng)被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）150501601018424909458325533

10、9163811820平均尋道長度：27.8共四十一頁9.1.2 磁盤調(diào)度(diod)算法循環(huán)掃描算法CSCAN(Circular SCAN)規(guī)定磁頭單向移動(dòng)，即使(jsh)最小磁道號(hào)與最大磁道號(hào)緊鄰，形成循環(huán)。從100磁道開始，向磁道號(hào)增加的方向移動(dòng)被訪問的下一個(gè)磁道號(hào)移動(dòng)距離（磁道數(shù)）15050160101842418166382039155165839032平均尋道長度：27.5共四十一頁9.1.2 磁盤(c pn)調(diào)度算法N步掃描算法N-Step-SCAN、改進(jìn)前幾種(j zhn)算法可能出現(xiàn)磁頭靜止在一個(gè)磁道上，導(dǎo)致其它進(jìn)程無法及時(shí)進(jìn)行磁盤I/O。把磁盤I/O請(qǐng)求隊(duì)列分成長度為N的子隊(duì)

11、列，每次使用SCAN算法處理這N個(gè)請(qǐng)求，使用FCFS處理子隊(duì)列。當(dāng)N很大時(shí)，該算法的性能接近于SCAN算法。當(dāng)N=1時(shí)，該算法退化為FCFS算法。雙隊(duì)列掃描算法FSCAN對(duì)N步掃描算法的簡(jiǎn)化，即把磁盤I/O請(qǐng)求分成兩個(gè)隊(duì)列，當(dāng)前請(qǐng)求磁盤I/O的進(jìn)程放入一個(gè)隊(duì)列，新生成的磁盤I/O請(qǐng)求放入另一隊(duì)列中。交替使用SCAN算法處理一個(gè)隊(duì)列。共四十一頁9.2 外存分配(fnpi)方法即文件物理組織方式，其目標(biāo)：有效利用外存空間(kngjin)提高文件的訪問速度9.2.1 連續(xù)分配9.2.2 鏈接分配9.2.3 索引分配共四十一頁9.2.1 連續(xù)(linx)分配連續(xù)分配（Continuous Alloca

12、tion）要求為每一個(gè)(y )文件分配一組相鄰的盤塊。優(yōu)點(diǎn)順序訪問容易：連續(xù)的空間順序訪問速度快：一條或相鄰的磁道上缺點(diǎn)要求有連續(xù)的存儲(chǔ)空間：形成外碎片必須事先知道文件的長度：裝入時(shí)要求filelengthstartcount20tr314mail619list428f26012345678910111213141516171819202122232425262728293031共四十一頁9.2.2 鏈接(lin ji)分配filestartendjeep9250123456789101112131415161718192021222324252627282930311016251-1隱式鏈接

13、(lin ji) 在文件目錄的每個(gè)目錄項(xiàng)中含有指向鏈接文件第一和最后一個(gè)盤塊的指針 只適用于順序訪問，對(duì)隨機(jī)訪問效率極低，可靠性差。改進(jìn)：將幾個(gè)盤塊組成一個(gè)簇（Cluster）,在進(jìn)行分配時(shí)以簇為單位進(jìn)行，鏈接文件的元素也以簇為單位，這樣可以成倍減少查找時(shí)間，也可減少指針占用的存儲(chǔ)空間，但增大了內(nèi)碎片。共四十一頁9.2.2 鏈接(lin ji)分配顯式鏈接把用于鏈接文件各物理塊的指針，顯式的存放(cnfng)在內(nèi)存的一張鏈接表中，即文件分配表FAT（File Allocation Table）。不能支持高效的直接存取FAT占用較大的內(nèi)存空間496EOF11105EOF0123456789101

14、1FCB AFCB BFAT共四十一頁9.2.3 索引(suyn)分配單級(jí)索引分配為每個(gè)文件分配一個(gè)索引表，把分配給該文件的盤塊號(hào)，記錄在該索引表中。文件目錄中，填上指向(zh xin)該索引表的指針。共四十一頁9.2.3 索引(suyn)分配file序號(hào)jeep190123456789101112131415161718192021222324252627282930319161025-11.優(yōu)點(diǎn)支持直接訪問(fngwn)不產(chǎn)生外碎片2.缺點(diǎn)索引表在外存空間共四十一頁9.2.3 索引(suyn)分配多級(jí)索引(suyn)分配105106254356357。0121051062543563579

15、85第二級(jí)索引磁盤空間9853607401125主索引360740。1125共四十一頁9.2.3 索引(suyn)分配混合(hnh)分配方式將多種分配方式結(jié)合在一起。共四十一頁9.3 空閑(kngxin)存儲(chǔ)空間的管理9.3.1 空閑表法9.3.2 空閑鏈表法9.3.3 位示圖法(t f)9.3.4 成組鏈接法共四十一頁9.3.1 空閑(kngxin)表法為外存上的所有空閑區(qū)建立一張空閑表，每個(gè)空閑區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)表目，包括序號(hào)、該區(qū)的起始空閑盤塊號(hào)、空閑盤塊數(shù)目等，按起始空閑盤塊號(hào)排序。分配：是一種連續(xù)分配方式，順序(shnx)查找空閑表，找到第一個(gè)合適的空閑區(qū)，修改空閑表?；厥眨簩⑾鄳?yīng)塊按序填回

16、表中，并與前后合并成大塊。特點(diǎn)：連續(xù)存放，易產(chǎn)生碎片。序號(hào)第1個(gè)空白塊號(hào)空白塊數(shù)物理塊號(hào)1242,3,4,52939,10,11315515,16,17,18,194共四十一頁9.3.2 空閑(kngxin)鏈表法空閑盤塊鏈將磁盤上所有空閑存儲(chǔ)空間，以盤塊為單位鏈成一個(gè)鏈表。分配：從鏈?zhǔn)组_始，依次摘下適當(dāng)數(shù)目的空閑盤塊進(jìn)行分配?；厥眨阂来捂溔腈溛?。特點(diǎn)：分配、回收簡(jiǎn)單，空閑盤塊鏈可能很長?？臻e盤區(qū)鏈將磁盤上所有空閑存儲(chǔ)空間，以盤區(qū)（包括若干盤塊）為單位鏈成一個(gè)鏈表。分配：查找(ch zho)合適大小的盤區(qū)進(jìn)行分配回收：與前后盤區(qū)合并特點(diǎn)：分配、回收復(fù)雜，空閑盤區(qū)鏈較短。共四十一頁9.3.3 位

17、示圖法(t f)位示圖系統(tǒng)為文件存儲(chǔ)空間建立一張位示圖，如下圖。位示圖反映了整個(gè)存儲(chǔ)空間的分配情況，其中每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)(y )物理塊，“1”表示對(duì)應(yīng)塊已被分配，“0”表示對(duì)應(yīng)塊為空白。1000110001111101001000111111111111100011111001000123456789101112131415012位 號(hào)字號(hào)共四十一頁9.3.3 位示圖法(t f)盤塊的分配順序掃描位示圖，找到一個(gè)(y )或一組為“0”的二進(jìn)制位將位號(hào)、字號(hào)轉(zhuǎn)換為盤塊號(hào)，進(jìn)行分配：塊號(hào)=位數(shù)*字號(hào)+位號(hào)修改位示圖，置“1”。盤塊的回收將盤塊號(hào)轉(zhuǎn)換為位號(hào)、字號(hào)：字號(hào)=塊號(hào) DIV 位數(shù)位號(hào)=塊號(hào) M

18、OD 位數(shù)修改位示圖，置“0”。共四十一頁9.3.4 成組鏈接(lin ji)法空閑盤塊的組織空閑盤塊棧存放當(dāng)前可用的空閑盤塊的盤塊號(hào)，最多100個(gè)，以及空閑盤塊數(shù)。棧是臨界資源，為之設(shè)鎖。文件區(qū)的所有空閑盤塊，被劃分(hu fn)為若干個(gè)組。設(shè)10000個(gè)盤塊，100個(gè)為一組。201-7999號(hào)盤塊存放文件。將每組的盤塊數(shù)及盤塊號(hào)，記入前一組的第一個(gè)盤塊中。第一組的盤塊數(shù)及盤塊號(hào)記入空閑盤塊棧最后一組的S.free(0)=0，作為結(jié)束標(biāo)記共四十一頁9.3.4 成組鏈接(lin ji)法.100300299.202201.100400399.302301.100500499.402401.9907999.79027901.299201.399301.78997801.79997901.3004007900S.free01.9899空閑盤塊號(hào)棧.共四十一頁9.3.4 成組鏈接(lin ji)法空閑(kngxin)盤塊的分配空閑盤塊號(hào)棧上鎖否？棧指針是S.free(0)嗎？從棧頂取出空閑盤