磁盘缓存专题之一：缓存命中和缓存未命中&缓存与缓冲间的差异
简单地说，为满足某种预期的未来需要所做的准备即缓存。缓存是一种人类的本性，为了保证充分的物品供应量，需要预先进行计划，然后选择一个能够提供最快服务的地方，存放它们，这就是所谓的可靠物资管理。它也是计算机系统的核心概念，即将需要的信息放在可以最快访问的地方，其描述如图。
缓存的概念可以用于几种设备，这些设备包括：
• 比正常内存更快的高速内存缓存。
• 比磁盘驱动器更快的、由内存芯片组成的磁盘缓存。
• 比通过Internet访问更快的、由磁盘实现的Internet缓存。
本专题主要涉及的是磁盘缓存。通常，用于缓存的内存是易失内存，假如电源切断，存放在缓存中的数据内容将会丢失。从这个意义上说，缓存内存是一个临时存储，但磁盘设备和子系统所使用的缓存是非易失存储。易失（内存）和非易失存储关系如图所示
本篇主题如下：
缓存命中和缓存未命中
缓存与缓冲间的差异
缓存命中和缓存未命中
当I / O操作开始从磁盘缓存而不是从非易失存储中检索数据时，（如磁盘设备或子系统）缓存命中发生。除了提供来自内存的快速响应之外，缓存命中还缩短了I / O路径的距离。如图所示。
另一种情况是，虽然搜索了缓存，但没有发现数据，因此数据必须从非易失存储读取，这就是缓存未命中。由于搜索缓存时需要花费时间，所以缓存未命中增加了I / O操作的时间。缓存未命中工作过程如图所示：
如果缓存实现不理想，将产生很高的未命中率，由于每次缓存未命中都需要花费额外的时间，所以导致系统性能的下降。用于描述缓存相对精确度的术语叫缓存命中率，缓存命中率是缓存命中数除以I / O请求总数所得的结果。对于开放系统服务器，如UNIX、Win NT及NETWare系统等，通常的命中率率不超过50 %。顺便指出，由于大型计算机系统使用的数据访问方法不同，它能到达更高的命中率（90 %）。
缓存命中率的计算如下：
缓存与缓冲间的差异
“缓存”和“内存”有时可以互换使用。然而，磁带驱动器中的内存通常并不是缓存，而是缓冲。虽然它们的物理组成是一样的，但缓冲只起临时存储数据的作用，由此数据从一个位置或设备传到另一个位置或设备。一般地，缓冲是在生命期较短的进程控制下工作，一旦数据传输完毕，这些进程将立即释放内存地址。一种常见类型的缓冲是F I F O缓冲，即一种先进先出结构，其结构如图所示：
另一方面，缓存内存由一个或更多的系统算法所控制，这些算法在一个长时间里维护和管理着内存资源，缓存的数据可以长时间地保存在缓存中。
在协调性能有差异的控制器和设备工作方面，缓冲常常能够发挥作用，这种方式的缓冲可以看作是某种转换器。主机I / O控制器上的芯片可以快速地通过I / O路径传输数据，它们的性能可以达到纳秒级，而对于磁盘和磁带驱动器这样一类的机电存储设备，其数据的传输速度只能在微秒范围内。因此，设备制造商把缓冲内存放入设备中，以减少访问延迟，以适合主机控制器的性能。这样，主机控制器可以同时地在多个设备上实施重叠操作，图显示了这种重叠过程。
另一方面，缓存利用更复杂的智能技术决定它将存储什么数据。缓冲是由相对简单的内存芯片构成，这些芯片不停地卸出和填充，但是磁盘缓存算法运用复杂的逻辑处理：那些数据应存放在缓存中，那些数据应从缓存中撤出。根据应用的不同，这些缓存的算法变化很大。
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。当缓存由一块电子线路实现时，它被称为缓存控制器，除了管理磁盘缓存内存中的内容外，它还可以控制子系统中的磁盘操作，这些操作的细节是下一章的主要论题。图显示了带有一个缓存控制器和缓存内存的磁盘缓存结构：
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