第二讲：高速缓存技术

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1、上一讲要点：存储需求与解决途径1.容量问题→海量存储2.效率问题→高性能计算3.意外灾害问题→容灾技术4.管理问题→存储管理技术5.不间断工作问题→高可用性6.能源消耗问题→绿色存储第二讲高速缓存技术在计算机主机与外存储器之间存在巨大的速度不匹配的矛盾如：一般内存速度：7ns左右硬盘平均访问时间:10ms左右（512字节）(I/O总线:133MB/s)对于此类问题，常采用缓存技术来解决。1.高速缓存技术缓存技术是改善I/O性能的一项基本技术。本课讨论的磁盘缓存方法不仅适合传统的存储总线，也适合于新发展的存储网络。只要系统带多个设备，且性能不同，就存在从慢速设备到快速设备不断

2、更换工作地点以改善系统性能的可能性。缓存的基本思想：将数据从一个地点拷贝到另一个地点，使之检索起来更快。访问请求快速提交慢速提交缓存存储常规存储1.1缓存的命中率缓存命中率=由缓存完成的I/O请求次数I/O请求总数1.2缓存与缓冲间的差异对于开放系统，Unix，NT等，通常的命中率不超过50%。大型机系统的命中率可高达90%。缓冲（buffer）只起临时存放数据的作用，控制算法简单；缓存(cache)与上相反。3→2→1→123图2-1主机控制器管理的多设备重叠操作主机I/O控制器重叠的请求缓冲内存存储设备存储总线存储设备缓冲内存存储设备设备中的缓冲存储器用于减少访问延迟，

3、以适应主机控制器的性能缓存内存缓存总线缓存控制器到磁盘系统I/O图2-2带有一个缓冲控制器和缓冲内存的磁盘缓冲缓存算法既可以在主机软件中实现，也可以在存储子系统或在主机控制器中实现2磁盘缓存的算法磁盘缓存并不是使设备运行的速度加快，而是缩短了I/O路径的距离，尽可能地用内存的性能代替设备的性能。磁盘缓存算法中，对应‘读’和‘写’的算法差异很大。2.1读算法（常用两种）最近使用（LRU：leastrecentlyused）缓存预先读缓存图2-3LRU装入数据的过程缓存内存在I/O操作期间，读磁盘数据的同时，数据也拷贝到缓存响应请求响应请求存储设备或子系统LRU算法的缓存控制器

4、LRU的基本思想：最近读过的数据不久将再次被读。图2-4关系数据库的LRU缓存缓存内存数据库存储子系统数据库服务器LAN缓存命中LRU缓存缓存未命中数据被读入缓存内存响应请求缓存未命中请求响应LRU缓存控制器3561241.发送到缓存内存的缓存命中3.发送到存储子系统的缓存未命中5.装入缓存的读缓存未命中2.从缓存内存到服务器读的缓存命中4.从存储子系统到缓存控制器的读缓存未命中6.到服务器的读缓存未命中LRU缓存的应用过程LRU算法适用的数据范围ERP和MRP系统Internet电子商务服务器事物处理系统顾客服务和支持系统其他多用户数据库应用不适用类型：顺序访问的数据，包

5、括数据仓库，多媒体数据等。预先读缓存预先读缓存的基本思想：已读入的数据将不在需要，而依次需要的是即将读入的数据块。适用范围：文件服务、备份、数据仓库及多媒体等顺序I/O模式的应用。图2-5预先读的过程缓存内存缓存命中缓存控制器发出预取请求，将数据写入缓存内存预读取I/O请求+响应缓存未命中采用预先读算法的缓存控制器存储设备或子系统图2-6文件服务器的预先读缓存缓存内存文件存储子系统文件服务器LAN缓存命中预先读缓存缓存装入预取数据响应请求（缓存未命中）请求响应LRU缓存控制器351241.缓存命中3.缓存未命中5.从存储子系统预读取2.从缓存的读缓存命中数据4.从存储子系统

6、读缓存未命中数据6.缓存装入预取数据预取I/O62.2写数据到缓存设备或子系统缓存写与缓存读技术有很大的不同，它更侧重数据的安全性，如断电时的保证数据不丢失；一致性等问题。用LRU方法为例：如某个应用正在更新存储子系统的数据，由于在缓存中可能存了过时的数据，当应用修改数据时，缓存中的过时数据也必须修改。否则，LRU方法将读到过时数据。两种基本的写缓存技术：透写缓存：把数据写入缓存后，立即写入非易失存储器（磁盘）回写缓存：为了提供更快的响应，将把缓存中的几个I/O写操作集中起来，然后一次性地把它们写入非易失性存储器。图2.7缓存未命中和缓存命中的写请求过时数据缓存内存写I/O

7、请求可选的写I/O请求写I/O请求过时数据缓存命中I/O请求修改过的数据缓存控制器缓存未命中①②②⊕⊕非易失存储透写缓存图2.8缓存命中时的透写缓存过程⊕⊕写I/O请求到缓存内存写I/O请求缓存命中写I/O请求非易失存储使用透写算法的缓存控制器⊕⊕写I/O请求到缓存内存写I/O请求缓存命中写I/O请求非易失存储使用回写算法的缓存控制器图2.9缓存命中时的回写缓存过程注：回写缓存决不能在没有UPS的情况下使用回写缓存3磁盘缓存的位置与优化主机系统内存设备或子系统主机I/O控制器存储网络中的独立缓存磁盘缓存可能处于不同