磁碟緩衝專題之一 快取命中和緩衝未命中緩衝與緩衝間的差異

不論什麼時候，只要系統帶有多個裝置，而這些裝置的效能又各不相同，就存在從慢速裝置到快速裝置不斷更換工作地點以改善系統效能的可能性，這就是緩衝的基本思想。即資料從一個地點拷貝到另一個地點，使之檢索起來更快。雖然這是一個簡單概念，但卻包含著許多奇思妙想。

簡單地說，為滿足某種預期的未來需要所做的準備即緩衝。緩衝是一種人類的本性，為了保證充分的物品供應量，需要預先進行計劃，然後選擇一個能夠提供最快服務的地方，存放它們，這就是所謂的可靠物資管理。它也是電腦系統的核心概念，即將需要的資訊放在可以最快訪問的地方，其描述。

緩衝的概念可以用於幾種裝置，這些裝置包括：
• 比正常記憶體更快的高速記憶體緩衝。
• 比磁碟機更快的、由記憶體晶片集成的磁碟緩衝。
• 比通過Internet訪問更快的、由磁碟實現的Internet緩衝。

本專題主要涉及的是磁碟緩衝。通常，用於緩衝的記憶體是易失記憶體，假如電源切斷，存放在緩衝中的資料內容將會丟失。從這個意義上說，緩衝記憶體是一個臨時儲存，但磁碟裝置和子系統所使用的緩衝是非易失儲存。易失（記憶體）和非易失儲存關係

本篇主題如下：

快取命中和緩衝未命中

緩衝與緩衝間的差異

快取命中和緩衝未命中

當I / O操作開始從磁碟緩衝而不是從非易失儲存中檢索資料時，（如磁碟裝置或子系統）快取命中發生。除了提供來自記憶體的快速響應之外，快取命中還縮短了I / O路徑的距離。。

另一種情況是，雖然搜尋了緩衝，但沒有探索資料，因此資料必須從非易失儲存讀取，這就是緩衝未命中。由於搜尋緩衝時需要花費時間，所以緩衝未命中增加了I / O操作的時間。緩衝未命中工作過程：

如果緩衝實現不理想，將產生很高的未命中率，由於每次緩衝未命中都需要花費額外的時間，所以導致系統效能的下降。用於描述緩衝相對精確度的術語叫快取命中率，快取命中率是快取命中數除以I / O請求總數所得的結果。對於開放系統伺服器，如UNIX、Win NT及NETWare系統等，通常的命中率率不超過50 %。順便指出，由於大型電腦系統使用的資料存取方法不同，它能到達更高的命中率（90 %）。

快取命中率的計算如下：

緩衝與緩衝間的差異

“緩衝”和“記憶體”有時可以互換使用。然而，磁帶磁碟機中的記憶體通常並不是緩衝，而是緩衝。雖然它們的物理組成是一樣的，但緩衝只起臨時儲存資料的作用，由此資料從一個位置或裝置傳到另一個位置或裝置。一般地，緩衝是在生命期較短的進程式控制制下工作，一旦資料轉送完畢，這些進程將立即釋放記憶體位址。一種常見類型的緩衝是F I F O緩衝，即一種先進先出結構，其結構：

另一方面，緩衝記憶體由一個或更多的系統演算法所控制，這些演算法在一個長時間裡維護和管理著記憶體資源，緩衝的資料可以長時間地儲存在緩衝中。

在協調效能有差異的控制器和裝置工作方面，緩衝常常能夠發揮作用，這種方式的緩衝可以看作是某種轉換器。主機I / O控制器上的晶片可以快速地通過I / O路徑傳輸資料，它們的效能可以達到納秒級，而對於磁碟和磁帶磁碟機這樣一類的機電存放裝置，其資料的傳輸速度只能在微秒範圍內。因此，裝置製造商把緩衝記憶體放入裝置中，以減少訪問延遲，以適合主機控制器的效能。這樣，主機控制器可以同時地在多個裝置上實施重疊操作，圖顯示了這種重疊過程。

另一方面，緩衝利用更複雜的智能技術決定它將儲存什麼資料。緩衝是由相對簡單的記憶體晶片構成，這些晶片不停地卸出和填充，但是磁碟緩衝演算法運用複雜的邏輯處理：那些資料應存放在緩衝中，那些資料應從緩衝中撤出。根據應用的不同，這些緩衝的演算法變化很大。

緩衝演算法既可以在主機軟體中實現，也可以在儲存子系統或在主機控制器中實現。當緩衝由一塊電子線路實現時，它被稱為緩衝控制器，除了管理磁碟緩衝記憶體中的內容外，它還可以控制子系統中的磁碟操作，這些操作的細節是下一章的主要論題。圖顯示了帶有一個緩衝控制器和緩衝記憶體的磁碟緩衝結構：

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作者：小洋，燕洋天