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 计算机存储空间组织和管理的基本概念
 2015年8月1日 09:32:17
 
  存储空间组织和管理
    存储系统中可能包含多个存储设备,如何建立一个架构保证用户和应用程序一致并透
明地存取这些存储设备中的数据是存储系统i殳计者需要重点考虑的问题。一个最为直接和
可行的方式就是把不同存储设备抽象为存储空间,建立相应的数据结构以维护存储空间,并
提供操作集对于存储空间进行存取、组织和管理。通过这种方法可以把一个复杂的大规模
存储系统简化为若干存储空间的集成,通过I/O路径的分析能够清晰的分析不同存储空间
之间的逻辑联系。
    实际匕,前面讨论的文件和块级的标准存取接口为抽象存储设备提供了一个好的平台。
接口的抽象性和设备的无关性使得存储空间这种抽象过程能够很方便地应用于实际的存储
系统设计之中。
  存储空间的基本概念
    计算机存储系统从整体上讲分为物理存储系统和逻辑存储系统,物理存储系统就是把
多个同构或者异构物理存储设备(内存、磁盘、磁带等)通过连接部件(总线和网络)连接起米
构成一个整体供计算机存储数据。逻辑的存储系统就是在物理的存储系统E构建可以相互
映射的多个存储空问并提供相应的操作供计算机存取数据。文件系统属于典型的逻辑存储
系统。数据的存取过程从本质E讲就是寻址和解释的过程。因此,有必要引入一个逻辑概
念,描述复杂存储系统结构。
    存储空间( Storage Space)是一种逻辑存储结构,它对上层应用提供寻址空间和相应的
逻辑存储单元(Logic Storage Unit).并提供操作集(Access Operations)用于存取存储单元
中的数据;在内部具有表示存储空间的数据结构( meta data)实现逻辑存储单元和下层存储
空间地址的映射关系;具有访问下层存储空间的存取操作集,把上层对于逻辑存储单元的数
据存取请求解析传递给下级存储空间。
    存储空间的定义是递归的,直到磁盘驱动器把上层的数据请求变成实际对应于存储介
质的物理存取操作。
    存储空问包含三个要素:第一个是逻辑存储单元及其地址空间(编址方法),它构成存储
空间的用户视图;第二个是存储系统元数据结构,它维护逻辑存储单元和下层存储空间的映
射关系;第三个是操作集,包括存墩操作(上下层的数据操作语义)。如果两个存储空间的操
作和存储元数据结构是相同的,则称这两个存储空问是同构的。
    需要说明的是,存储空间中的逻辑存储单元和下层存储空间的逻辑存储单元不一定是
一一对应的。一个地址对应多个存储单位可以产生镜像和多副本的作用。
    存储空间是可以嵌套的,如图1-11所示。通过在下一级存储空间上提供新的地址空间
和存储操作的方法可以宴现新的逻辑存储结构,也就是新的存储空间。最下层的存储空间
就是物理存储设备,它提供物理的存储介质和在这些介质上的机械和物理操作。
    一个存储空间可以跨越若干个物理设备,也可以是一个物理存储设备的一部分。在不
同的结构中存取数据对计算速度的要求也是不一样的,在不同存储介质上数据的读取不仅
仅受介质存取方式的影响,还受数据组织方式的制约。这表现在数据的组织即管理程序也
是需要执行时间的;数据的组织结构对于如何存取数据产生巨大的影响,例如在内存中足以
数据块进行线性编址的,而文件系统的组织形式是一个树状结构,两种情况下读取数据的方
式是极其不同的。
    在计算机系统中,对于数据的操作包含两类语义一类是文件操作语义,一类是数据块
操作语义。前者对应干立件系统,后者对应于存储设备。根据这两种操作类型,逻辑存储空
间丹为文件存储空问和数据块存储空间。从逻辑L讲,存储空间内部存储单元之问应该
是同构和独立的,对于存储空间内的两个存储单元的访问应该且有相同的存取特性.然
而-由于逻辑存储空间毕竟是由物理世备的物理存储空间构成的,不同的设备以及设备
内不同位置的存取属性(如存取速度等)是不同的,并且这种差异会随着实际负载状况的
变化而变化。
  如果一十存储空问跨越-个存储设备的韧理存储边界·其空问内部的差异问题表现得
更加显著,对具体的存取操作性能有着直接的影响。从技术上讲,设计一个存储系统有两个
目标,第一是如何把多个物理上分离的存储空间组成-个统-访问的存储空问,使用相同的
散据结构和操作语卫,这也是存储虚拟化的目标。第二是如何根据物理存储设备的不同属
性建立一个符合平衡存储多方面蒋里的最优系统。上述两十目标在实际宴现时往往具有矛
盾,前者要求忽略底层设备的差异,应用透明地访问存储系统,实现操作的简单性和可移植
性,而后者要求负载和存储差异可知,系统能够根据这些差异进行台理调度优化。现宴中,
存储系统的设计往往争取在这两个目标之间取得平衡。
    存储空间的J元数据表示空间的组织结构,对于树状结构的存储空问,因为它最终建立在
物理线性存储介质上,因此元数据不仅要表示树状结构,同时还必须完成变换到线性空间的
数据分配,倒如inocde或者FAt表。元数据存放的位置电是在存储设备上,因此元数据的
读取往往是存储系统中最为频繁的。
    当多十用户同时访问存储空间某个共享的存储单元或者数据结构(静'如FAT表)时,
就有可能产生并发访问冲突。冲突来源于用户对于共享数据的修改,如果所有用户都是只
读共享数据,则不会产生冲突问题,但一旦有用户对数据进行修改,就会产生数据不一致的
同题,这又分为几种特殊情况。第一种,如果只有一十用户修改数据,而其他用户只是使用
数据,那么是否应该把更新数据广播给其他只读用户,第一种,如果有多个用户同时修改数
  据,那么如何确定所有更新中那个数据是最后有效写到存储单元中的,并且是否通知其他用
  户写失败?因此,对于一个支持多用户并发访问的可共享的存储空间,必须提供并发操作语
  义,也就是在并发操作发生的情况下规范不同用户的行为。例如提供写排他锁机制,也就是
  同时只能允许一个更新操作。事实上,POSIX标准中提供锁机制来保证并发存取。


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