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 簡(jiǎn)介

硬盤(pán)作為現(xiàn)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部***的機(jī)械存儲(chǔ)部件，速度相比較內(nèi)存和Cache而言會(huì)慢好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。但所幸的是，硬盤(pán)的成本是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)存的。因此硬盤(pán)作為***存儲(chǔ)器是比較合適的，所幸的是為了克服硬盤(pán)慢速帶來(lái)的問(wèn)題，操作系統(tǒng)會(huì)對(duì)硬盤(pán)的使用有一個(gè)優(yōu)化，下面讓我們先來(lái)看硬盤(pán)的原理。

硬盤(pán)的原理簡(jiǎn)介

一個(gè)典型的硬盤(pán)如圖1所示。

圖1.一個(gè)典型的硬盤(pán)

由圖1可以看到，硬盤(pán)上磁盤(pán)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，磁頭臂在磁盤(pán)上來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入。這也是為什么我們說(shuō)硬盤(pán)是一個(gè)機(jī)械部件的原因。通過(guò)圖2我們可以更抽象的來(lái)看磁盤(pán)讀取數(shù)據(jù)的方式。磁盤(pán)由圓心向外被劃分為多個(gè)磁道，所謂擺臂在磁道上來(lái)回移動(dòng)也就是擺臂在磁道間的來(lái)回移動(dòng)，

圖2.更抽象的硬盤(pán)原理

除了磁道之外，一個(gè)磁道還會(huì)被劃分為多個(gè)扇區(qū)，如圖3所示。

圖3.磁道，扇區(qū)和簇

我們可以看到，扇區(qū)是硬盤(pán)尋址的最小單位，但實(shí)際上分配空間時(shí)最小的單位是簇(Clusters)。這也就是為什么硬盤(pán)上文件的實(shí)際大小和占用空間不同的原因。

磁盤(pán)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間

在了解了硬盤(pán)的基本原理之后，不難推算出，磁盤(pán)上數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入所花費(fèi)的時(shí)間可以分為三個(gè)部分。

1.尋道時(shí)間

所謂尋道時(shí)間，其實(shí)就是磁臂移動(dòng)到指定磁道所需要的時(shí)間，這部分時(shí)間又可以分為兩部分：

尋道時(shí)間=啟動(dòng)磁臂的時(shí)間+常數(shù)*所需移動(dòng)的磁道數(shù)

其中常數(shù)和驅(qū)動(dòng)器的的硬件相關(guān)，啟動(dòng)磁臂的時(shí)間也和驅(qū)動(dòng)器的硬件相關(guān)

2.旋轉(zhuǎn)延遲

旋轉(zhuǎn)延遲指的是把扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間和驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，我們通常所說(shuō)的7200轉(zhuǎn)的硬盤(pán)的轉(zhuǎn)就是這個(gè)。

平均旋轉(zhuǎn)延遲=1/(2*轉(zhuǎn)數(shù)每秒)

比如7200轉(zhuǎn)的硬盤(pán)的平均旋轉(zhuǎn)延遲等于1/2*120≈4.17ms

旋轉(zhuǎn)延遲只和硬件有關(guān)。

3.傳輸時(shí)間

傳輸時(shí)間指的是從磁盤(pán)讀出或?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)的時(shí)間。

這個(gè)時(shí)間等于：所需要讀寫(xiě)的字節(jié)數(shù)/每秒轉(zhuǎn)速*每扇區(qū)的字節(jié)數(shù)

磁盤(pán)調(diào)度算法

通過(guò)上面硬盤(pán)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)所分的三部分時(shí)間不難看出，大部分參數(shù)是和硬件相關(guān)的，操作系統(tǒng)無(wú)力優(yōu)化。只有所需移動(dòng)的磁道數(shù)是可以通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制的，所以減少所需移動(dòng)的磁道數(shù)是減少整個(gè)硬盤(pán)的讀寫(xiě)時(shí)間的唯一辦法。

因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)內(nèi)可能會(huì)有很多進(jìn)程需要調(diào)用磁盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)，因此合理的安排磁頭的移動(dòng)以減少尋道時(shí)間就是磁盤(pán)調(diào)度算法的目的所在，幾種常見(jiàn)的磁盤(pán)調(diào)度算法如下。

1.先來(lái)先服務(wù)算法(FCFS)

這種算法將對(duì)磁盤(pán)的IO請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)，按照先后順序依次調(diào)度磁頭。這種算法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，合理，但沒(méi)有減少尋道時(shí)間

2.最短尋道時(shí)間算法(SSFT)

這種算法優(yōu)先執(zhí)行所需讀寫(xiě)的磁道離當(dāng)前磁頭最近的請(qǐng)求。這保證了平均尋道時(shí)間的最短，但缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)：離當(dāng)前磁頭比較遠(yuǎn)的尋道請(qǐng)求有可能一直得不到執(zhí)行，這也就是所謂的“饑餓現(xiàn)象”。

3.掃描算法(SCAN)

這種算法在磁頭的移動(dòng)方向上選擇離當(dāng)前磁頭所在磁道最近的請(qǐng)求作為下一次服務(wù)對(duì)象，這種改進(jìn)有效避免了饑餓現(xiàn)象，并且減少了尋道時(shí)間。但缺點(diǎn)依然存在，那就是不利于最遠(yuǎn)一端的磁道訪問(wèn)請(qǐng)求。

3.循環(huán)掃描算法(CSCAN)

也就是俗稱(chēng)的電梯算法，這種算法是對(duì)最短尋道時(shí)間算法的改進(jìn)。這種算法就像電梯一樣，只能從1樓上到15樓，然后再?gòu)?5樓下到1樓。這種算法的磁頭調(diào)度也是如此,磁頭只能從最里磁道到磁盤(pán)最外層磁道。然后再由最外層磁道移動(dòng)到最里層磁道，磁頭是單向移動(dòng)的，在此基礎(chǔ)上，才執(zhí)行和最短尋道時(shí)間算法一樣的，離當(dāng)前磁頭最近的尋道請(qǐng)求。這種算法改善了SCAN算法，消除了對(duì)兩端磁道請(qǐng)求的不公平。

其它優(yōu)化手段以及SQL Server是如何利用這些手段

除去上面通過(guò)磁盤(pán)調(diào)度算法來(lái)減少尋道時(shí)間之外。還有一些其它的手段同樣可以利用，在開(kāi)始之前，我首先想講一下局部性原理。

局部性原理

所謂的局部性原理分為時(shí)間和空間上的。由于程序是順序執(zhí)行的，因此當(dāng)前數(shù)據(jù)段附近的數(shù)據(jù)有可能在接下來(lái)的時(shí)間被訪問(wèn)到。這就是所謂的空間局部性。而程序中還存在著循環(huán)，因此當(dāng)前被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)有可能在短時(shí)間內(nèi)被再次訪問(wèn)，這就是所謂的時(shí)間局部性原理。

因此在了解了局部性原理之后，我們可以通過(guò)以下幾個(gè)手段來(lái)減少磁盤(pán)的IO。

提前讀(Read-Ahead)

提前讀也被稱(chēng)為預(yù)讀。根據(jù)磁盤(pán)原理我們不難看出，在磁盤(pán)讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，真正讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間只占了很小一部分，而大部分時(shí)間花在了旋轉(zhuǎn)延遲和尋道時(shí)間上，因此根據(jù)空間局部性原理，SQL Server每次讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間不僅僅讀取所需要的數(shù)據(jù)，還將所請(qǐng)求數(shù)據(jù)附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。這在SQL Server中被稱(chēng)為預(yù)讀。SQL Server通過(guò)預(yù)讀可以有效的減少I(mǎi)O請(qǐng)求。

延遲寫(xiě)(Delayed write)

同樣，根據(jù)時(shí)間局部性原理，最近被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)有可能再次被訪問(wèn)，因此當(dāng)數(shù)據(jù)更改之后不馬上寫(xiě)回磁盤(pán)，而是繼續(xù)放在內(nèi)存中，以備接下來(lái)的請(qǐng)求讀取或者修改，是減少磁盤(pán)IO的另一個(gè)有效手段，在SQL Server中，實(shí)現(xiàn)延遲寫(xiě)是buffer pool,當(dāng)一個(gè)修改請(qǐng)求被commit之后，并不會(huì)立刻寫(xiě)回磁盤(pán)，而是將修改的頁(yè)標(biāo)記為“臟”，然后根據(jù)某種機(jī)制通過(guò)checkpoint或lazy writer寫(xiě)回磁盤(pán)，關(guān)于checkpoint和lazy writer的原理，可以參考我之前的文章：淺談SQL Server中的事務(wù)日志(二)----事務(wù)日志在修改數(shù)據(jù)時(shí)的角色.

優(yōu)化物理分布

根據(jù)磁盤(pán)原理不難看出，如果所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)在磁盤(pán)物理磁道之間是連續(xù)的，那么會(huì)減少磁頭的移動(dòng)距離，從而減少了尋道時(shí)間。因此相關(guān)的數(shù)據(jù)放在連續(xù)的物理空間上會(huì)減少尋道時(shí)間。SQL Server中，通過(guò)聚集索引使得數(shù)據(jù)根據(jù)主鍵在物理磁盤(pán)上連續(xù)，從而減少了尋道時(shí)間。

總結(jié)

本文談了硬盤(pán)的原理，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間以及如何減少讀寫(xiě)數(shù)據(jù)所花的時(shí)間，并且簡(jiǎn)單概述了SQL Server是如何利用這些特性減少I(mǎi)O的占用。理解磁盤(pán)的原理是進(jìn)行性能調(diào)優(yōu)的基礎(chǔ)之一。