磁盤存儲器管理

磁盤存儲器管理SchoolofManagementTianjinUniversity第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理磁盤性能簡述數(shù)據(jù)的組織和格式實際的硬盤都組織成多個盤片，每片分兩面，每面分成若干條磁道，磁道間有間隙磁道又被分成許多扇區(qū)，每條磁道上扇區(qū)數(shù)目典型為10至100，每個扇區(qū)包含相同的字節(jié)數(shù)，相當(dāng)于一個盤塊第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理用磁道號、磁頭號和扇區(qū)號來標(biāo)識一個扇區(qū)第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理磁盤格式化每個扇區(qū)容量＝600BYTE，其中512BYTE存放數(shù)據(jù)。標(biāo)志字段數(shù)據(jù)字段定界符第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理2磁盤類型固定頭磁盤:提高并行讀寫能力，主要用于大容量磁盤移動頭磁盤：尋道功能，結(jié)構(gòu)簡單，速度慢第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理 3磁盤訪問時間尋道時間Ts：是指把磁頭移動到指定磁道上所經(jīng)歷底時間，是啟動磁臂的時間S與磁頭移動N條磁道所花費的時間之和旋轉(zhuǎn)延遲時間Tτ：是指指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經(jīng)歷的時間,平均Tτ為50－100ms傳輸時間Tt：是指向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時間,與每次讀/寫的字節(jié)數(shù)b和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理因此總的訪問時間Ta為上面三項之和：Ta＝

Ts＋1/2r+b/rN 尋道時間和旋轉(zhuǎn)延遲時間占據(jù)了訪問時間中的大部分，而傳輸所占的時間比重是比較小的。磁盤調(diào)度-當(dāng)多個進程需要訪問磁盤時磁盤調(diào)度的目標(biāo)是使磁盤的平均尋道時間最少，以使進程對磁盤的平均訪問時間最小，目前常使用的有先來先服務(wù)，最短尋道時間優(yōu)先及掃描算法等第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity先來先服務(wù)尋道算法FCFS（First-come，F(xiàn)irst-served）

一種最簡單的磁盤調(diào)度算法。它根據(jù)進程請求訪問磁盤的先后次序進行調(diào)度。優(yōu)點公平、簡單，每個進程的請求都能依次得到處理。缺點未對尋道進行優(yōu)化，致使平均尋道時間可能較長。磁盤存儲器管理第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理最短尋道時間優(yōu)先算法SSTF

該算法選擇這樣的進程，其要求訪問的磁道與當(dāng)前磁頭所在的磁道，距離最短，以使每次的尋道時間最短，但這種調(diào)度算法卻不能保證平均尋道時間最短

會可能導(dǎo)致某個進程發(fā)生“饑餓”的現(xiàn)象，因為只要有新進程的請求到達，其所要訪問的磁道與當(dāng)前所在磁道的距離較近，其I/O請求必優(yōu)先滿足第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理FCFS算法（從100#磁道開始）被訪問的下

一個磁道號移動距離

（磁道數(shù)）5545583391918219072160701501038112184146平均尋道長度：55.3SSTF算法（從100#磁道開始）被訪問的下

一個磁道號移動距離

（磁道數(shù)）90105832553391638118201501321601018424平均尋道長度：27.5第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理掃描算法SCAN 為了避免“饑餓”現(xiàn)象，對SSTF算法略加修改形成掃描算法，該算法不僅考慮到欲訪問的磁道與當(dāng)前磁道的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭的當(dāng)前移動方向。這種算法中磁頭移動的規(guī)律頗似電梯的運行，又稱電梯調(diào)度算法。 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。第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理循環(huán)掃描CSCAN（CircularSCAN） 為了減少SCAN算法造成的某些進程的請求被嚴(yán)重推遲，CSCAN算法規(guī)定磁頭單向移動。 當(dāng)磁頭移到最外的磁道并訪問后，磁頭立即返回到最里的欲訪問磁道，即將最小磁道號緊接著最大磁道號構(gòu)成循環(huán)，進行循環(huán)掃描第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理（從100#磁道開始，向

磁道號增加的方向）被訪問的下

一個磁道號移動距離

（磁道數(shù)）1505016010184249094583255339163811820平均尋道長度：27.8SCAN調(diào)度算法示例（從100#磁道開始，向

磁道號增加的方向）被訪問的下

一個磁道號移動距離

（磁道數(shù)）15050160101842418166382039155165839032平均尋道長度：27.5CSCAN調(diào)度算法示例第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理N-Step-SCAN和FSCAN調(diào)度算法1）N-Step-SCAN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的情況，即進程壟斷了整個磁盤設(shè)備。我們把這一現(xiàn)象稱為“磁臂粘著”。 N步SCAN算法是將磁盤請求隊列分成若干個長度為N的子隊列，磁盤調(diào)度將按FCFS算法依次處理這些子隊列。 每處理一個隊列時又是按SCAN算法，對一個隊列處理完后，再處理其他隊列。第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理 當(dāng)正在處理某子隊列時，如果又出現(xiàn)新的磁盤I/O請求，便將新請求進程放入其他隊列，這樣就可避免出現(xiàn)粘著現(xiàn)象。 當(dāng)N值取得很大時，會使N步掃描法的性能接近于SCAN算法的性能；當(dāng)N=1時，N步SCAN算法便蛻化為FCFS算法。2）FSCAN算法 實際上是N步SCAN算法的簡化，即FSCAN只將磁盤請求隊列分成兩個子隊列。第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理 一個是由當(dāng)前所有請求磁盤I/O的進程形成的隊列；在掃描期間，將新出現(xiàn)的所有請求磁盤I/O的進程，放入另一個等待處理的請求隊列。磁盤高速緩存（DiskCache） 是指利用內(nèi)存中的存儲空間，來暫存從磁盤中讀出的一系列盤塊中的信息。這里的高速緩存是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.第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理 通常高速緩存在內(nèi)存中有兩種形式： 第一種是在內(nèi)存中開辟一個單獨的存儲空間來作為磁盤高速緩存，其大小是固定的；第二種是把所有未利用的內(nèi)存空間變?yōu)橐粋€緩沖池，供請求分頁系統(tǒng)和磁盤I/O時(作為磁盤高速緩存)共享。 置換算法：

現(xiàn)在不少系統(tǒng)在設(shè)計其高速緩存的置換算法時，除了考慮到最近最久未使用這一原則外，還考慮了以下幾點：第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理

(1)訪問頻率。(2)可預(yù)見性。(3)數(shù)據(jù)的一致性。周期性地寫回磁盤 為了防止在數(shù)據(jù)不一致的問題，尤其是系統(tǒng)發(fā)生故障時，必須提供周期性回寫磁盤的功能； 在UNIX系統(tǒng)中專門增設(shè)了一個修改update程序，使之在后臺運行，該程序周期性地調(diào)用一個系統(tǒng)調(diào)用SYNC。第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理 MS-DOS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,但是會造成頻繁啟動磁盤。提高磁盤I/O速度的其它方法：提前讀(Read-Ahead)延遲寫優(yōu)化物理塊的分布虛擬盤第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理廉價磁盤冗余陣列RAIDRAID:為RedundantArraysofIndependentDisks的簡稱,中文為廉價冗余磁盤陣列。在1987年由美國柏克萊大學(xué)提出RAID（RedundantArrayofInexpensiveDisks）理論,作為高性能的存儲系統(tǒng),巳經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。RAID的級別從RAID概念的提出到現(xiàn)在,巳經(jīng)發(fā)展了多個級別,有明確標(biāo)準(zhǔn)級別分別是0、1、2、3、4、5等。但是最常用的是0、1、3、5四個級別。RAID為使用者降低了成本、增加了執(zhí)行效率,并提供了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理并行交叉存取

根據(jù)RAID所采用的方法不同，可以將其分為0－5六個級別，后來又增加了RAID6級和RAID7級。第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理①RAID0級數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個盤上非冗余陣列、無冗余信息嚴(yán)格地說,它不屬于RAID系列②RAID1級亦稱鏡像盤，使用雙備份磁盤每當(dāng)數(shù)據(jù)寫入一個磁盤時，將該數(shù)據(jù)也寫到 另一個冗余盤（鏡像盤），形成信息的兩份復(fù)制品特點：昂貴、系統(tǒng)可靠性高、效率低(冗余度太大，磁盤的利用率僅為50%第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理RAID3級位交叉奇偶校驗盤陣列，是單盤容錯并行傳輸?shù)年嚵袛?shù)據(jù)以位或字節(jié)交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗信息存儲在一臺專用盤上。將磁盤分組，讀寫要訪問組中所有盤，每組中有一個盤作為校驗盤。第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理RAID5級塊交叉分布式奇偶校驗盤陣列。數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，無專用校驗盤，冗余的奇偶校驗信息均勻分布于所有盤。特點:無瓶頸盤，多個寫訪問請求可同時進行第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月SchoolofManagementTianjinUniversity磁盤存儲器管理RAID6級雙維奇偶校驗獨立存取盤陣列。數(shù)據(jù)以塊(塊大小可變)交叉的方式存于各盤，冗余的檢、糾錯信息均勻地分布在所有磁盤上。每次寫入數(shù)據(jù)都要訪問一個數(shù)據(jù)盤和兩個校驗盤，可容忍雙盤出錯。RAID7級采用Cache和異步技術(shù)的RAID6，提高響應(yīng)速度和傳輸速率(可達每秒幾十兆字節(jié))，是目前最高檔次的磁盤陣列。第30頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2