Кэширование операций ввода-вывода при работе с накопителями на магнитных дисках
Как известно, накопители на магнитных дисках обладают крайне низким быстродействием по сравнению с процессорами и оперативной памятью. Разница составляет несколько порядков. Например, современные процессоры за один такт работы, а они работают уже с частотами в несколько гигагерц, могут выполнять по две операции, и, таким образом, время выполнения операции (с позиции внешнего на-
Кэширование операций ввода-вывода____________________________________ 157
блюдателя, который не видит конвейеризации при выполнении машинных команд, позволяющей увеличить производительность в несколько раз) может составлять менее 0,5 нc (!). В то же время переход магнитной головки с дорожки на дорожку занимает несколько миллисекунд; подобная же задержка требуется и на поиск нужного сектора данных. Как известно, в современных приводах средняя длительность на чтение случайным образом выбранного сектора данных составляет около 20 мс, что существенно медленнее, чем выборка команды или операнда из оперативной памяти и уж тем более из кэш-памяти. Правда, после этого данные читаются большим пакетом (сектор, как мы уже говорили, имеет размер 512 байт, а при операциях с диском часто читаются или записываются сразу несколько секторов). Таким образом, средняя скорость работы процессора с оперативной памятью на 2-3 порядка выше, чем средняя скорость передачи данных из внешней памяти на магнитных дисках в оперативную память.
Для того чтобы сгладить такое сильное несоответствие в производительности основных подсистем, используется буферизация и/или кэширование данных в дисковом кэше (disk cache). Простейшим вариантом ускорения дисковых операций чтения данных можно считать использование двойной буферизации. Ее суть заключается в том, что пока в один буфер заносятся данные с магнитного диска, из второго буфера ранее считанные данные могут быть прочитаны и переданы в запросившую их задачу. Аналогично и при записи данных. Буферизация используется во всех операционных системах, но помимо буферизации применяется и кэширование. Кэширование исключительно полезно в том случае, когда программа неоднократно читает с диска одни и те же данные. После того как они один раз будут помещены в кэш, обращений к диску больше не потребуется, и скорость работы программы значительно возрастет.
Упрощая, можно сказать, что под дисковым кэшем можно понимать некий пул буферов, которыми мы управляем с помощью соответствующего системного процесса. Если считывается какое-то множество секторов, содержащих записи того или иного файла, то эти данные, пройдя через кэш, там остаются (до тех пор, пока другие секторы не заменят эти буферы). Если впоследствии потребуется повторное чтение, то данные могут быть извлечены непосредственно из оперативной памяти без фактического обращения к диску. Ускорить можно и операции записи: данные помещаются в кэш, и для запросившей эту операцию задачи получается, что фактически они уже записаны. Задача может продолжить свое выполнение, а системные внешние процессы через некоторое время запишут данные на диск. Это называется отложенной записью (lazy write1). Если режим отложенной записи отключен, только одна задача может записывать на диск свои данные. Остальные приложения должны ждать своей очереди. Это ожидание подвергает информацию риску не меньшему (если не большему), чем сама отложенная запись, которая к тому же и более эффективна по скорости работы с диском.
Интервал времени, после которого данные будут фактически записываться, с одной стороны, желательно выбрать большим, поскольку это позволило бы не читать (если потребуется) эти данные заново, так как они уже и так фактически на-
1 Дословно — «ленивая» запись.
158_____________ Глава 5. Управление вводом-выводом в операционных системах
ходятся в кэше. И после их модификации эти данные опять же помещаются в быстродействующий кэш. С другой стороны, для большей надежности, желательно поскорее отправить данные во внешнюю память, поскольку она энергонезависима, и в случае какой-нибудь аварии (например, нарушения питания) данные в оперативной памяти пропадут, в то время как на магнитном диске они с большой вероятностью останутся в безопасности.
Поскольку количество буферов, составляющих кэш, ограничено, может возникнуть ситуация, когда считываемые или записываемые данные потребуют замены данных в этих буферах. При этом возможны различные дисциплины выделения буферов под вновь затребованную операцию кэширования.
Кэширование дисковых операций может быть существенно улучшено за счет упреждающего чтения (read ahead), которое основано па чтении с диска гораздо большего количества информации, чем на самом деле запрошено приложением или операционной системой. Когда некоторой программе требуется считать с диска только один сектор, программа кэширования читает несколько дополнительных блоков данных. При этом, как известно, операции последовательного чтения нескольких секторов фактически несущественно замедляют операцию чтения затребованного сектора с данными. Поэтому, если программа вновь обратится к диску, вероятность того, что нужные ей данные уже находятся в кэше, будет достаточно высока. Поскольку передача данных из одной области памяти в другую происходит во много раз быстрее, чем чтение их с диска, кэширование существенно сокращает время выполнения операций с файлами.
Итак, путь информации от диска к прикладной программе пролегает как через буфер, так и через дисковый кэш. Когда приложение запрашивает с диска данные, программа кэширования перехватывает этот запрос и читает вместе с необходимыми секторами еще и несколько дополнительных. Затем она помещает в буфер требующуюся задаче информацию и ставит об этом в известность операционную систему. Операционная система сообщает задаче, что ее запрос выполнен, и данные с диска находятся в буфере. При следующем обращении приложения к диску программа кэширования прежде всего проверяет, не находятся ли уже в памяти затребованные данные. Если это так, то она копирует их в буфер, если же их в кэше нет, то запрос на чтение диска передается операционной системе. Когда задача изменяет данные в буфере, они копируются в кэш.
Важно заметить, что простое увеличение объема памяти, отводимого под кэширование файлов, может и не привести к росту быстродействия системы. Другими словами, наблюдается далеко не прямо пропорциональная зависимость ускорения операций с файлами от размера кэша. Кривая этой зависимости достаточно скоро перестает расти, а затем и вовсе эффективность кэширования начинает снижаться. Объяснение этому заключается в том, что поиск нужного фрагмента данных в буферах кэша осуществляется путем их полного перебора. Поэтому с ростом числа буферов кэша затраты на их перебор становятся значительными. И поскольку невозможно обеспечить 100-процентного кэш-попадания искомых данных, то естественно наступает момент, когда среднее время доступа к данным перестает снижаться с увеличением кэша. Очевидно, что оптимальный размер дискового кэша
Кэширование операций ввода-вывода____________________________________ 159
зависит от очень многих факторов, в том числе и от частоты повторных обращений к недавно прочитанным данным, и от среднего объема обрабатываемых файлов, и от разницы в быстродействии центральной части компьютера и дисковой подсистемы.
В ряде операционных систем имеется возможность указать в явном виде параметры кэширования, в то время как в других за эти параметры отвечает сама операционная система.
Так, в системах семейства Windows 9x мы можем указать и объем памяти, отводимый для кэширования, и объем порции (chunk) данных, из которых набирается кэш, и предельное количество имен файлов, и параметры кэширования каталогов. В файле SYSTEM.INI, расположенном в основном каталоге такой операционной системы (обычно это каталог Windows), в секции [vcache] есть возможность прописать, например, следующие значения:
[vcache]
MinFileCache=4096
MaxFileCache=32768
ChunkSize=512
Здесь указано, что минимально под кэширование данных зарезервировано 4 Мбайт оперативной памяти, максимальный объем кэша может достигать 32 Мбайт, а размер данных, которыми манипулирует менеджер кэша, равен одному сектору. Следует заметить, что поскольку в современных компьютерах нередко устанавливается большой объем оперативной памяти, порой существенно превосходящий 256 Мбайт, то для обеспечения корректной работы подсистемы кэширования обязательно нужно указывать в явном виде значение MaxFileCache. Оно ни в коем случае не должно превышать величину 262 144 Кбайт. Это ограничение следует из-за особенностей программной реализации подсистемы кэширования2 — при превышении этого значения происходят нарушения в работе подсистемы памяти и вычислительные процессы могут быть разрушены.
Во всех операционных системах от Microsoft принята стратегия активного кэширования файлов, при которой для кэширования отводится вся свободная память. Поэтому без явного ограничения объема памяти, отводимой под кэширование файлов, мы можем столкнуться с ситуацией, когда рост дискового кэша приводит к значительному росту числа страниц памяти, «сброшенных» в файл подкачки. Последнее может привести к заметному замедлению работы системы, несмотря на то что кэширование имеет целью именно ускорение в работе дисковой подсистемы.
В операционных системах Windows NT 4.0, Windows 2000 и Windows XP также имеется возможность управлять некоторыми параметрами кэширования. Правда, сделать это можно только путем редактирования реестра.
Например, если в разделе [HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Ses-sion Manager\Memory Management] реестра найти параметр IOPageLockLimit и присвоить ему значение 163777216, то это будет означать, что 16 384 Кбайт будут отведе-
' Дословно — «кусочек».
2 Драйвер VCACHE разрабатывался в то время, когда объем памяти в 256 Мбайт казался недостижимым.
160_____________ Глава 5. Управление вводом-выводом в операционных системах
ны в физической памяти для хранения буферов дискового кэша. Эта память не может быть выгружена в файл подкачки. Дело в том, что, к большому сожалению, разработчики из Microsoft приняли решение, согласно которому кэшируемые файлы отображаются на виртуальное адресное пространство, а не на физическую память компьютера, как это сделано в других операционных системах. Это означает, что некоторые страничные кадры этого виртуального адресного пространства могут быть отображены не на реальную оперативную память компьютера, а размещены во внешней памяти (попасть в страничный файл подкачки). Очевидно, что это может сильно замедлять работу рассматриваемой подсистемы. Поэтому блокирование некоторого числа страниц файлового кэша от перемещения их во внешнюю память должно приводить к повышению эффективности кэширования. В качестве рекомендации можно заметить, что упомянутое значение в 16 Мбайт можно выделять для компьютеров с объемом памяти более 128 Мбайт.
В других операционных системах можно указывать больше параметров, определяющих работу подсистемы кэширования (см., например, раздел «Файловая система HPFS» в главе 6).
Помимо описанных действий, связанных с кэшированием файлов, операционная система может оптимизировать перемещение головок чтения/записи данных, связанное с выполнением запросов от параллельно выполняющихся задач. Время, необходимое на получение данных с магнитного диска, складывается из времени перемещения магнитной головки на требуемый цилиндр и времени поиска заданного сектора; а временем считывания найденного сектора и временем передачи этих данных в оперативную память мы можем пренебречь. Таким образом, основные затраты времени уходят на поиск данных. В мультипрограммных операционных системах при выполнении многих задач запросы на чтение и запись данных могут идти таким потоком, что при их обслуживании образуется очередь. Если выполнять эти запросы в порядке поступления их в очередь, то вследствие случайного характера обращений к тому или иному сектору магнитного диска потери времени на поиск данных могут значительно возрасти. Напрашивается очевидное решение: поскольку переупорядочивание запросов с целью минимизации затрат времени на поиск данных можно выполнить очень быстро (практически этим временем можно пренебречь, учитывая разницу в быстродействии центральной части компьютера и устройств ввода-вывода), то необходимо найти метод, позволяющий выполнить такое переупорядочивание оптимальным образом. Изучение этой проблемы позволило найти наиболее эффективные дисциплины планирования.
Перечислим известные дисциплины, в соответствии с которыми можно перестраивать очередь запросов на операции чтения/записи данных [11].
- SSTF (Shortest Seek Time First — запрос с наименьшим временем позиционирования выполняется первым). В соответствии с этой дисциплиной при позиционировании магнитных головок следующим выбирается запрос, для которого необходимо минимальное перемещение с цилиндра на цилиндр, даже если этот запрос не был первым в очереди на ввод-вывод. Однако для этой дисциплины характерна сильная дискриминация некоторых запросов, а ведь они могут идти от высокоприоритетных задач. Обращения к диску проявляют тен-
Контрольные вопросы и задачи_________________________________________ 161
денцию концентрироваться, в результате чего запросы на обращение к самым внешним и самым внутренним дорожкам могут обслуживаться существенно дольше, и нет никакой гарантии обслуживания. Достоинством такой дисциплины является максимально возможная пропускная способность дисковой подсистемы.
- Scan (сканирование). При сканировании головки поочередно перемещаются то
в одном, то в другом «привилегированном» направлении, обслуживая «по пути»
подходящие запросы. Если при перемещении головок чтения/записи более нет
попутных запросов, то движение начинается в обратном направлении.
- Next-Step Scan (отложенное сканирование). Отличается от предыдущей дис
циплины тем, что на каждом проходе обслуживаются только те запросы, кото
рые уже существовали на момент начала прохода. Новые запросы, появляющи
еся в процессе перемещения головок чтения/записи, формируют новую очередь
запросов, причем таким образом, чтобы их можно было оптимально обслужить
на обратном ходу.
- C-Scan (циклическое сканирование). По этой дисциплине головки перемещаются циклически с самой наружной дорожки к внутренним, по пути обслуживая имеющиеся запросы, после чего вновь переносятся к наружным цилиндрам. Эту дисциплину иногда реализуют таким образом, чтобы запросы, поступающие во время текущего прямого хода головок, обслуживались не попутно, а при следующем проходе, что позволяет исключить дискриминацию запросов к самым крайним цилиндрам. Эта дисциплина характеризуется очень малой дисперсией времени ожидания обслуживания [11]. Ее часто называют «элеваторной».
Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
1. Почему создание подсистемы ввода-вывода считается одной из самых слож
ных областей проектирования операционных систем?
2. Почему операции ввода-вывода в операционных системах объявляются при
вилегированными?
3. Перечислите основные задачи, возлагаемые на супервизор ввода-вывода?
4. В каких случаях устройство ввода-вывода называется инициативным?
5. Какие режимы управления вводом-выводом вы знаете? Опишите каждый из них.
6. Что означает термин «spooling» и что означает термин «swapping»?
7. Чем обеспечивается независимость пользовательских программ от устройств
ввода-вывода, подключенных к компьютеру?
8. Что такое синхронный и асинхронный ввод-вывод?
9. Опишите структуру магнитного диска (разбиение дисков на разделы). Сколь
ко (и каких) разделов может быть на магнитном диске?
162_____________ Глава 5. Управление вводом-выводом в операционных системах
10. Как в общем случае осуществляется загрузка операционной системы после
включения компьютера? Что такое начальный, системный и внесистемный за
грузчики? Где они располагаются?
11. Расскажите о кэшировании операций ввода-вывода при работе с накопителя
ми на магнитных дисках.
Задания
Используя специально выделенный для этих целей компьютер, изучите структуру диска и освойте работу с программой Disk Editor.
1. Включите компьютер. Во время выполнения программы самотестирования
войдите в BIOS и установите возможность загрузки с дискеты.
2. Загрузите операционную систему, расположенную на магнитном диске.
3. Загрузитесь с системной дискеты (на ней должна быть система MS DOS с не
обходимыми утилитами).
4. Запустите программу Disk Editor из комплекта утилит Питера Нортона. С по
мощью встроенной справочной системы изучите основные возможности этой
утилиты.
5. Посмотрите структуру диска. Сохраните MBR и загрузочный сектор на своей
дискете.
6. Найдите таблицы размещения файлов для указанного раздела магнитного дис
ка. Сохраните их на дискете. Выйдите из программы Disk Editor.
7. Запустите программу FDisk. Изучите структуру диска, посмотрите, сколько и
каких разделов на нем расположено?
8. Удалите все логические диски с помощью программы FDisk.
9. Перезапустите компьютер и убедитесь, что операционная система, располо
женная раньше на магнитном диске, больше не функционирует.
10. Используя программу Disk Editor, восстановите операционную систему, а также файлы, расположенные на магнитном диске и созданные ранее с помощью программы Disk Editor.
Дата добавления: 2016-09-20; просмотров: 2231;