04 数据存储

存储器结构

核心：层次化存储

磁盘存储时间

1. 块（Block）是 OS 或 DBMS 进行磁盘数据存取的最小逻辑单元，由若干扇区组成
2. 块是 DBMS 中数据存取的最小单元（逻辑）
3. 扇区是磁盘中数据存储的最小单元（物理）

读取一个块，实际上是从硬件设备读取一个或多个扇区

读块时间 = 寻道时间+旋转延迟+传输时间+其他时间

\[\begin{align} T_a&=T_s+T_{r}+T_{t}+other\\ Avg(T_{a})&=T_s+\frac 1 {2r}+\frac{b}{rN}\\ \end{align} \]

• 在真实情境中，会要求计算“最优”、“平均”、“最坏”情况下的读块时间
• \(T_{s}\) ：定位到柱面的时间
  • 平均寻道时间：一般在10ms-40ms 之间
• \(T_{r}\) ：磁盘转动到块的第一个扇区到达磁头所需的时间
  • \(1RPM=\frac{1}{60*1000}r/ms\)
  • 平均时间为旋转1/2周所费的时间
• \(T_t\)
• 其他延迟
  • CPU 请求 IO 的时间
  • 争用磁盘控制器时间
  • 征用总线和主存的时间
  • 典型情况：0（忽略不计）
• 读取下一块
  • 在同一柱面上：\(T_r+T_t\)
  • 不在同一柱面
• 写块：如果需要校验块是否正确写入，则需要加上一次旋转时间和一次块传输时间
• 块修改：读块+在内存修改+写块
• 块地址：<物理设备号,柱面号,盘面号(或磁头号),扇区号>

磁盘存储优化

优化方法：

• Random IO to Sequential IO
• 预取/缓冲
  • P：在缓冲区处理数据的时间
  • R：将数据读入缓冲区的时间
  • n：块数
  • 单缓冲：\(T=n(P+R)\)
  • 多缓冲：
    • \(R+nP,P\geq R\)，处理每块的平均时间为 \(P\)
    • \(nR+P, R\geq P\)，处理每块的平均时间为 \(R\)
  • 缓冲的缺点
    • 主存
    • 缓冲区管理
    • 维护一致性
  • 块大小
    • 增大块：减少 IO 次数，增加单次 IO 的时间
    • 增大块是趋势

不同存储介质

闪存 SSD

结构：闪存芯片+控制器+FTL（WL, LBA-PBA, GC）

特点：

• 读写不对称（写慢读快）
• 写前擦除：异位更新、块擦除操作
• 寿命有限：块擦除次数有限
• 按页读写
• 按块擦除

一个块由多个页组成

相变存储器 PCM