磁盘缓存专题之二：磁盘缓存的算法：读算法
虽然对缓存不应抱有那么高的期望，但如果很好地配置缓存，进程运行速度达到原来的两倍并不是不可能的。
磁盘缓存建立在几种不同的算法上，这些算法取决于I / O操作是读还是写。缓存的实现不像在气体容器中倒入一瓶辛烷助推器，而获得辅助加速。事实上，磁盘缓存并不是使设备的运行速度更快，而是尽量缩短I / O路径的距离，尽可能地用内存的性能代替设备的性能。
为了获得最好的结果，需要设计如何存放数据的缓存算法，该算法应该与应用的访问模式相匹配，匹配得越好，效率也就越高。更为重要的是，在断电的情况下，缓存算法甚至能确定易失内存中的数据是否有永久丢失的危险。
下面包括了简单的缓存算法的描述。这些描述并不基于任何特定产品的缓存设计，其主要目的是帮助读者理解缓存的基本功能。掌握了这些知识以后，读者将能更有效地计划、实现和管理磁盘缓存。
1. 读算法
像前面所讨论的，缓存可能改善系统的性能。其基本思想是：按照应用的类型，可以使用不同的智能方法对系统最近需要的数据做出预言。目前普遍采用的算法有两种，即：
• 最近最少使用（LRU）缓存。
• 预先读缓存。
1) LRU缓存
LRU的基本思想是：最近读出过的数据不久将被再次被读出。在数据库上，应用产生的数据访问模式有时被称为热区。热区是指设备或子系统上的一组存储区域，这些设备或子系统承担着大量的操作。假如热区不是放在磁盘设备，而是放在缓存中，那么，对它的访问速度将要快得多。图描述了热区的概念。
在正常的I / O操作期间，一旦L R U被请求，它就将数据装入缓存。术语“ L R U”起源于虚拟内存技术，描述将不经常使用的数据和代码迁移到虚拟存储的方法，即将丢弃最近最少使用的缓存数据。换言之，LRU得名是因为丢弃数据的方式，而不是装入或保存数据的方式。从某种意义上说，将这类缓存命名为最近最多使用缓存更有道理，因为算法真正地描述了缓存所能提供的性能优势。图显示了在缓存中装入数据的过程。
2) LRU缓存的应用
在应用连续地访问和修改同样数据的情况下， L R U缓存能够带来最大的利益。事务处理系统就是这种应用的一个例子。L U R缓存可以为许多E R P（企业资源规划）应用和工具提供性能优势。同时， L R U还能够为使操作处理频繁和多用户关系数据库应用提供性能优势。图表示使用L R U缓存的通用的、多用户关系数据库系统。
除了以上的例子以外，下面一组应用也可以从L R U磁盘缓存中获得性能优势：
• 事务处理系统。
• ERP 和M R P系统。
• Internet电子商务服务器。
• 顾客服务和支持系统。
• 其他多用户数据库应用。
但是，对于顺序访问数据的数据库系统， L R U缓存技术不能很好地工作。这方面的例子包括数据仓库和多媒体数据库服务器。这些应用最好使用另外一种技术，即预先读缓存，下面将要讨论这种技术。
3) 预先读缓存
预先读缓存的基本思想是：已经读入的数据将不再需要，而依次需要的是即将读入的几个数据块。换言之，预先读缓存根据过去从磁盘读入数据的情况，推测下一步将需要的数据。预先读的关键概念是预取。预取是在数据被请求之前就将它从非易失存储中读出，并把它放在易失的缓存内存中。然而， L R U仅缓存已经被请求的或写的数据，由此可以看出，预先读缓存与L R U缓存之间存在很大的差别。图显示了预先读的过程。
如果数据已经老化，或在近期内没有别的用处，它就从预先读缓存中丢弃。虽然这样做乍看起来似乎有点奇怪，却经常很好地用于预先读的应用。预先读缓存的目的是把大量的数据移到更靠近C P U的地方，并在此一并处理这些数据。这些类型的应用将数据总量作为一个整体处理，因而，在处理过程中不必改变个别数据块，也就没有必要在缓存中保留读数据块。
预先读的实现初看起来似乎很平常，但事实上，并不像想像的那样简单，它面临着几个困难的挑战。缓存总是与块数据传输打交道，对于磁盘文件或数据库系统组织是不可见的。由于文件被散布在整个磁盘各个地方，而预先读缓存却总是读出连续的数据块，所以经常错误地读出一些不需要的数据。
综上所述，为了预先读缓存工作得更好，可以使用某些进程移动或重新分布磁盘数据，当然这种做法也可能产生问题。磁盘整理程序就是这样的例子，因为它总是力图把数据存放在一些更少、更连续的大块区域中，所以它能够提高预先读缓存性能。此外，对于存储子系统，重新配置更大的存储块也是有益的。
重新组织目录结构通常会增加该卷中的磁盘碎片数量，这是由于将一些目录结构拷贝到同一存储卷中的新位置的结果。同时，建立和删除大量文件也会给所在卷增添磁盘碎片。卷中的碎片越多，读缓存的性能就越差。
4) 预先读缓存的应用
预先读缓存大多用于顺序I / O模式的应用，如文件服务、备份及数据仓库等。对于像图形处理这样的应用，预读缓存可以提供非常有益的性能优势。一般地说，哪里存在顺序访问的大文件，哪里就需要预读缓存技术。以下是一些可能受益于预读缓存的应用：
• 文件服务。
• 多媒体；音频和视频。
• 图形学。
• 数据仓库。
• 顺序文件的匹配处理。
图是一个用于文件服务器的预读缓存
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