Кешування операцій вводу/виводу при роботі з накопичувачами на магнітних дисках.

Як відомо, накопичувачі на магнітних дисках мають вкрай низьку швидкість в порівнянні з швидкодією центральної частини комп'ютера. Різниця у швидкодії відрізняється на кілька порядків. Наприклад, сучасні процесори за один такт роботи, а вони працюють уже з частотами і 1 ГГц і більше, можуть виконувати по дві операції. Таким чином, час виконання операції (з позиції зовнішнього спостерігача, що не бачить конвеєризації при виконанні машинних команд, завдяки якій продуктивність зростає в кілька разів) може складати 0,5 нс (!). У той же час перехід магнітної голівки з доріжки на доріжку складає декілька мілісекунд. Такі ж тимчасові інтервали мають місце і при чеканні, поки під голівкою читання/запису не виявиться потрібний сектор даних. Як відомо, у сучасних приводах середня тривалість на читання випадковим чином обраного сектора даних складає близько 20 мс, що істотно повільніше, ніж вибірка команди чи операнда з оперативної пам'яті і тимбільше з кешу. Правда, після цьогодані читаються великим пакетом (сектор, як ми вже говорили, має розмір у 512 байтів, а при операціях з диском часто читається чи записується відразу кілька секторів). Таким чином, середня швидкість роботи процесора з оперативною пам'яттю на 2-3 порядки вище, ніж середня швидкість передачі даних із зовнішньої пам'яті на магнітних дисках в оперативну пам'ять.

Для того щоб згладити таку сильну невідповідність у продуктивності основних підсистем, використовується буферизація і/чи кешування даних. Найпростішим варіантом прискорення дискових операцій читання даних можна вважати використання подвійного буферування. Його суть полягає в тім що поки в один буфер заносяться дані з магнітного диска, із другого буфера раніше зчитані дані можуть бути прочитані і передані їх задачі, що подавала запит на них. Аналогічний процес відбувається і при записі даних. Буферизація використовується у всіх операційних системах, але крім буферування застосовується і кешування. Кешування винятково корисно в тому випадку, коли програма неодноразово читає з диска ті самі дані. Після того як вони один раз будуть поміщені в кеш, звертань до диска більше не потрібно і швидкість роботи програми значно зросте.

Якщо не вдаватися в подробиці, то під кешім можна розуміти деякий пул буферів, якими ми керуємо за допомогою відповідного системного процесу. Якщо ми зчитуємо якусь безліч секторів, що містять записи того чи іншого файлу, то ці дані, пройшовши через кеш, там залишаються (до тих пір поки інші сектори не замінять ці буфери). Якщо в наслідку буде потрібне повторне читання, то дані можуть бути витягнуті безпосередньо з оперативної пам'яті без фактичного звертання до диска. Прискорити можна й операції запису: дані поміщаються в кеш, і для задачі, що запросила цю операцію, можна вважати, що вони уже фактично і записані. Задача може продовжити своє виконання, а системні зовнішні процеси через якийсь час запишуть дані на диск. Це називається операцією відкладеного запису (lazy write «ледачий запис»). Якщо відкладений запис відключений, тільки одна задача може записувати на диск свої дані. Інші додатки повинні чекати своєї черги. Це чекання піддає інформацію ризику не меншому (якщо не більшому), чим відкладений запис, що до того ж і більш ефективний по швидкості роботи з диском.

Інтервал часу, після якого дані будуть фактично записуватися, з одного боку, бажано вибрати більше, оскільки якщо буде потрібно ще раз почитати ці дані, то вони вже і так фактично знаходяться в кеші. І після модифікації ці дані знову ж поміщаються у швидкодіючий кеш. З іншого боку, для більшої надійності дані бажано скоріше відправити в зовнішню пам'ять, оскільки вона енергонезалежна й у випадку якої-небуть аварії (наприклад, порушення живлення) дані в оперативній пам'яті пропадуть у той час як на магнітному диску вони з великою імовірністю залишаться в безпеці. Кількість буферів, що складають кеш, обмежено, тому виникає ситуація, коли знову прочитані чи записувані нові сектори даних повинні будуть замінити дані в цих буферах. Можливе використання різних дисциплін, відповідно до яких буде призначений який-небудь буфер під знову викликану операцію кешування.

Кешування дискових операцій може бути істотно покращене за рахунок введення технікипопереднього читання (read ahead). Вона заснована на читанні з диска набагато більшої кількості даних, чим насправді запросила операційна система чи додаток. Коли деякій програмі потрібно зчитати з диска тільки один сектор, програма кешування читає ще і кілька додаткових блоків даних. А операції послідовного читання декількох секторів фактично несуттєво сповільнюють операцію читання викликаного сектора з даними. Тому, якщо програма знову звернеться до диска, імовірність того, що потрібні їй дані вже знаходяться в кеші, досить висока. Оскільки передача даних з однієї області пам'яті в другу відбувається в багато разів швидше, ніж читання їх з диска, кешування істотно скорочує час виконання операцій з файлами.

Отже, шлях інформаціївід диска до прикладної програми пролягає як через буфер, так і через файловий кеш. Коли додаток запитує з диска дані, програма кешування перехоплює цей запит і читає разом з необхідними секторами і ще декілька додаткових. Потім вона поміщає в буфер інформацію, яка потрібна задачі, і повідомляє про це операційну систему. Операційна система повідомляє задачі, що її запит виконаний і дані з диска знаходяться в буфері. При наступному звертанні додатка до диска програма кешування насамперед перевіряє, чи не знаходяться вже в пам'яті викликані дані. Якщо це так, то вона копіює їх у буфер; якщо ж їх у кеші немає, то запит на читання диска передається операційній системі. Коли задача змінює дані в буфері, вони копіюються в кеш. У ряді ОС є можливість вказати в явному виді параметри кешування, у той час як в інших за ці параметри відповідає сама ОС. Так, наприклад, у системі Windows NT немає можливості в явному виді керувати ні обсягом файлового кешу, ні параметрами кешування. У системах Windows 95/98 така можливість вже є, але вона представляє не дуже великий вибір. Фактично ми можемо вказати тільки обсяг пам'яті, що відводиться для кешування, і обсяг порції даних ( чи буфер chunk - шматочок), з яких набирається кеш. У файлі System.ini є можливість у секції [VCACHE] прописати, наприклад, наступні значення:

[vcache]

MinFileCache = 4096

MaxFileCache = 32768

ChunkSize = 512

Тут зазначено, що мінімально під кешування даних зарезервовано 4 Мбайт оперативноїпам'яті, максимальний обсяг кешу може досягати 32 Мбайт, а розмір даних, якими маніпулює менеджер кешу, рівний одному сектору.

В інших ОС можна вквзувати більшепараметрів, що визначають роботу підсистеми кешування. Приклад, що демонструєці можливості, можна подивитися в розділі «Файловасистема HPFS».

Крім описаних дій ОС може виконувати і роботуз оптимізаціїпереміщення голівок читання/запису даних, зв'язаного з виконанням запитів від паралельно виконуємих задач. Час, необхіднийна одержання даних з магнітного диска, складається з часу переміщення магнітноїголівки на необхідний циліндр і часу чекання заданого сектора; часом зчитування знайденого сектора і витратами на передачу цих даних в оперативну пам'ять ми можемо зневажити. Таким чином, основні витрати часу ідуть на пошук даних. У мультипрограмних ОС при виконанні багатьох задач запити на читання і запис даних можуть йти таким потоком, що при їхньому обслуговуванні утвориться черга. Якщо виконувати ці запити у порядку надходження їх у чергу, то внаслідок випадкового характеру звертань до того чи іншого сектора магнітного диска ми можемо мати значні втрати часу на пошук даних. Напрошується очевидне рішення: оскільки виконані перевпорядкування запитів з метою мінімізації витрат часу на пошук даних можна виконати дуже швидко (практично цим часом можна зневажити, з огляду на різницю у швидкодії центральної частини і пристроїв вводу/виводу), то необхідно знайти метод, що дозволяє перебудовувати чергу запитів оптимальним чином. Вивчення цієї проблеми дозволило знайти найбільшефективні дисципліни планування. Перелічимо відомі дисципліни, відповідно до яких можна перебудовувати чергу запитів на операції читання/запису даних:

· SSTF (shortest seek time — first) — з найменшим часом пошуку — першим. Відповідно до цієї дисципліни при позиціюванні магнітних голівок наступним вибирається запит, для якого необхідно мінімальне переміщення з циліндра на циліндр, навіть якщо цей запит не був першим у черзі на ввід/вивід. Однак для цієї дисципліни характерна різка дискримінація визначених запитів, але ж вони можуть йти від високопріоритетних задач. Звертання до диска виявляють тенденцію концентруватися, у результаті чого запити на звертання до самих зовнішніх і самих внутрішніх доріжок можуть обслуговуватися істотно довше і немає ніякої гарантії обслуговування. Достоїнством такої дисципліни є максимально можлива пропускна здатність дискової підсистеми.

· Scan (сканування).По цій дисципліні голівки переміщаються то в одному то в іншому «привілейованому» напрямку, обслуговуючи«по шляху» придатні запити. Якщо при переміщенні голівок читання/запису більш немає побіжних запитів, то рух починається в зворотному напрямку.

· Next-Step Scan — відрізняється від попередньої дисципліни тим, що на кожнім проході обслуговуються тільки запити, що вже існували на момент початку проходу. Нові запити, що з'являються в процесі переміщення голівок читання/запису, формуютьнову чергу запитів, причому таким чином,щоб їх можна було оптимально обслужитина зворотному ходу.

· C-Scan (циклічне сканування). По цій дисципліні голівки переміщаються циклічно із самої зовнішньої доріжки до внутрішніх, але по шляху обслуговуючи наявні запити, після чого знову переносяться до зовнішніх циліндрів. Цю дисципліну іноді реалізують таким чином,щоб запити, що надходять під час поточного прямого ходу голівок, обслуговувалисяне попутно, а при наступному ході, що дозволяє виключити дискримінацію запитів до самих крайніх циліндрів; вона характеризується дуже малою дисперсією часу чекання обслуговування. Цю дисципліну обслуговуваннячасто називають «елеваторною».