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五分钟聊完磁盘(二)

简介: 笔记
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磁盘臂调度算法


下面我们来探讨一下关于影响磁盘读写的算法,一般情况下,影响磁盘快读写的时间由下面几个因素决定

  • 寻道时间 - 寻道时间指的就是将磁盘臂移动到需要读取磁盘块上的时间
  • 旋转延迟 - 等待合适的扇区旋转到磁头下所需的时间
  • 实际数据的读取或者写入时间

这三种时间参数也是磁盘寻道的过程。一般情况下,寻道时间对总时间的影响最大,所以,有效的降低寻道时间能够提高磁盘的读取速度。

如果磁盘驱动程序每次接收一个请求并按照接收顺序完成请求,这种处理方式也就是 先来先服务(First-Come, First-served, FCFS) ,这种方式很难优化寻道时间。因为每次都会按照顺序处理,不管顺序如何,有可能这次读完后需要等待一个磁盘旋转一周才能继续读取,而其他柱面能够马上进行读取,这种情况下每次请求也会排队。

通常情况下,磁盘在进行寻道时,其他进程会产生其他的磁盘请求。磁盘驱动程序会维护一张表,表中会记录着柱面号当作索引,每个柱面未完成的请求会形成链表,链表头存放在表的相应表项中。

一种对先来先服务的算法改良的方案是使用 最短路径优先(SSF) 算法,下面描述了这个算法。

假如我们在对磁道 6 号进行寻址时,同时发生了对 11 , 2 , 4, 14, 8, 15, 3 的请求,如果采用先来先服务的原则,如下图所示


我们可以计算一下磁盘臂所跨越的磁盘数量为 5 + 9 + 2 + 10 + 6 + 7 + 12 = 51,相当于是跨越了 51 次盘面,如果使用最短路径优先,我们来计算一下跨越的盘面

7.png

跨越的磁盘数量为 4 + 1 + 1 + 4 + 3 + 3 + 1 = 17 ,相比 51 足足省了两倍的时间。

但是,最短路径优先的算法也不是完美无缺的,这种算法照样存在问题,那就是优先级 问题,

这里有一个原型可以参考就是我们日常生活中的电梯,电梯使用一种电梯算法(elevator algorithm) 来进行调度,从而满足协调效率和公平性这两个相互冲突的目标。电梯一般会保持向一个方向移动,直到在那个方向上没有请求为止,然后改变方向。

电梯算法需要维护一个二进制位,也就是当前的方向位:UP(向上)或者是 DOWN(向下)。当一个请求处理完成后,磁盘或电梯的驱动程序会检查该位,如果此位是 UP 位,磁盘臂或者电梯仓移到下一个更高级未完成的请求。如果高位没有未完成的请求,则取相反方向。当方向位是 DOWN时,同时存在一个低位的请求,磁盘臂会转向该点。如果不存在的话,那么它只是停止并等待。

我们举个例子来描述一下电梯算法,比如各个柱面得到服务的顺序是 4,7,10,14,9,6,3,1 ,那么它的流程图如下

8.png

所以电梯算法需要跨越的盘面数量是 3 + 3 + 4 + 5 + 3 + 3 + 1 = 22

电梯算法通常情况下不如 SSF 算法。

一些磁盘控制器为软件提供了一种检查磁头下方当前扇区号的方法,使用这样的控制器,能够进行另一种优化。如果对一个相同的柱面有两个或者多个请求正等待处理,驱动程序可以发出请求读写下一次要通过磁头的扇区。

这里需要注意一点,当一个柱面有多条磁道时,相继的请求可能针对不同的磁道,这种选择没有代价,因为选择磁头不需要移动磁盘臂也没有旋转延迟。

对于磁盘来说,最影响性能的就是寻道时间和旋转延迟,所以一次只读取一个或两个扇区的效率是非常低的。出于这个原因,许多磁盘控制器总是读出多个扇区并进行高速缓存,即使只请求一个扇区时也是这样。一般情况下读取一个扇区的同时会读取该扇区所在的磁道或者是所有剩余的扇区被读出,读出扇区的数量取决于控制器的高速缓存中有多少可用的空间。

磁盘控制器的高速缓存和操作系统的高速缓存有一些不同,磁盘控制器的高速缓存用于缓存没有实际被请求的块,而操作系统维护的高速缓存由显示地读出的块组成,并且操作系统会认为这些块在近期仍然会频繁使用。

当同一个控制器上有多个驱动器时,操作系统应该为每个驱动器都单独的维护一个未完成的请求表。一旦有某个驱动器闲置时,就应该发出一个寻道请求来将磁盘臂移到下一个被请求的柱面。如果下一个寻道请求到来时恰好没有磁盘臂处于正确的位置,那么驱动程序会在刚刚完成传输的驱动器上发出一个新的寻道命令并等待,等待下一次中断到来时检查哪个驱动器处于闲置状态。


错误处理


磁盘在制造的过程中可能会有瑕疵,如果瑕疵比较小,比如只有几位,那么使用坏扇区并且每次只是让 ECC 纠正错误是可行的,如果瑕疵较大,那么错误就不可能被掩盖。

一般坏块有两种处理办法,一种是在控制器中进行处理;一种是在操作系统层面进行处理。

这两种方法经常替换使用,比如一个具有 30 个数据扇区和两个备用扇区的磁盘,其中扇区 4 是有瑕疵的。

9.png

控制器能做的事情就是将备用扇区之一重新映射。

10.png

还有一种处理方式是将所有的扇区都向上移动一个扇区

11.png

上面这这两种情况下控制器都必须知道哪个扇区,可以通过内部的表来跟踪这一信息,或者通过重写前导码来给出重新映射的扇区号。如果是重写前导码,那么涉及移动的方式必须重写后面所有的前导码,但是最终会提供良好的性能。


稳定存储器


磁盘经常会出现错误,导致好的扇区会变成坏扇区,驱动程序也有可能挂掉。RAID 可以对扇区出错或者是驱动器崩溃提出保护,然而 RAID 却不能对坏数据中的写错误提供保护,也不能对写操作期间的崩溃提供保护,这样就会破坏原始数据。

我们期望磁盘能够准确无误的工作,但是事实情况是不可能的,但是我们能够知道的是,一个磁盘子系统具有如下特性:当一个写命令发给它时,磁盘要么正确地写数据,要么什么也不做,让现有的数据完整无误的保留。这样的系统称为 稳定存储器(stable storage)。稳定存储器的目标就是不惜一切代价保证磁盘的一致性。

稳定存储器使用两个一对相同的磁盘,对应的块一同工作形成一个无差别的块。稳定存储器为了实现这个目的,定义了下面三种操作:

  • 稳定写(stable write)
  • 稳定读(stable read)
  • 崩溃恢复(crash recovery)

稳定写指的就是首先将块写到比如驱动器 1 上,然后将其读回来验证写入的是否正确,如果不正确,那么就会再次尝试写入和读取,一直到能够验证写入正确为止。如果块都写完了也没有验证正确,就会换块继续写入和读取,直到正确为止。无论尝试使用多少个备用块,都是在对你驱动器 1 写入成功之后,才会对驱动器 2 进行写入和读取。这样我们相当于是对两个驱动器进行写入。

稳定读指的就是首先从驱动器 1 上进行读取,如果读取操作会产生错误的 ECC,则再次尝试读取,如果所有的读取操作都会给出错误的 ECC,那么会从驱动器 2 上进行读取。这样我们相当于是对两个驱动器进行读取。

崩溃恢复指的是崩溃之后,恢复程序扫描两个磁盘,比较对应的块。如果一对块都是好的并且是相同的,就不会触发任何机制;如果其中一个块触发了 ECC 错误,这时候就需要使用好块来覆盖坏块。

如果 CPU 没有崩溃的话,那么这种方式是可行的。如果在稳定写期间出现 CPU 崩溃会怎么样?这就取决于崩溃发生的精确时间,有五种情况,下面来说一下

  • 第一种情况是崩溃发生在写入之前,在恢复的时候就什么都不需要修改,旧的值也会继续存在。
    12.png
  • 第二种情况是 CPU 崩溃发生在写入驱动器 1 的时候,崩溃导致块内容被破坏,然而恢复程序能够检测出这一种错误,并且从驱动器 2 恢复驱动器 1 上的块。
    13.png
  • 第三种情况是崩溃发生在磁盘驱动器 1 之后但是还没有写驱动器 2 之前,这种情况下由于磁盘 1 已经写入成功

14.png

  • 第四种情况是崩溃发生在磁盘驱动 1 写入后在磁盘驱动 2 写入时,恢复期间会用好的块替换坏的块,两个块的最终值都是最新的

15.png

  • 最后一种情况就是崩溃发生在两个磁盘驱动写入后,这种情况下不会发生任何问题

20.png

这种模式下进行任何优化和改进都是可行的,但是代价高昂,一种改进是在稳定写期间监控被写入的块,这样在崩溃后进行检验的块只有一个。

有一种 非易失性 RAM 能够在崩溃之后保留数据,但是这种方式并不推荐使用。

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