磁盘缓存专题之三：磁盘缓存的算法：写算法

虽然缓存的最终目的为了提高性能，但缓存写的技术与缓存读的技术有很大的不同。但如果它带来的数据丢失危险很大，那么，就是一个不可接受的方案。因此，安全地将数据保存在非易失存储中是很重要的，因为这样数据就可以长期地保存。虽然读缓存技术用于读操作时可以提高系统性能，但当用于新产生数据的写操作时，却产生了一些有趣的问题。

目前，用于缓存实现的大部分存储器都是易失型存储器，因此，当断电的时候，所有缓存的数据都将丢失。为了避免这个问题，一种专为缓存而特别设计的存储器已经面世，这种特制的存储器内嵌后备电池，经常用于磁盘子系统，以保证在某一指定时间内供电和数据存储。其他类型的非易失内存也已经生产出来，如闪存，但由于它们价格相对较高、性能较低及使用寿命有限等，通常不被用作缓存内存。

下面考虑使用L R U的示例，并假定某个应用正在更新数据。由于在缓存中可能存储了过时数据。这里过时数据是指被存储的数据，但不表示最新的版本。当应用修改数据时，过时的数据也必须要修改，无论它存放在哪里—在磁盘上，或者在磁盘和缓存内存里。图显示了两种情况：第一种情况是数据仅存放在磁盘上；第二种情况是数据既存放在磁盘上，也存放在缓存内存中。

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在缓存未命中情况下，缓存控制器决定是否缓存这些数据。对于这个例子，缓存控制器决定放弃缓存关于这个写操作的数据，而把该数据直接写入非易失存储。换言之，数据仅写入磁盘，继续执行下一个操作。

在缓存命中情况下，缓存控制器可以修改缓存，甚至丢弃缓存，或使缓存内容无效，以致于后来的数据能够覆盖它。假如修改了缓存，必须最终在某个时刻将它写入非易失磁盘存储，但什么时候写呢？可能数据在近期将不被修改，但也可能它成为一个热点，将经历接二连三地、快速的操作。数据写入非易失存储器速度相对较慢，因为必须等待磁盘设备写完成后，才能进行新的写操作，致使系统的性能降低。另一方面，假如数据首先被写进缓存，延迟一段时间后才被写到非易失存储，那么，电源的临时故障就有可能导致数据的丢失。

解决这个问题基本上采用两种写缓存技术：
• 透写缓存。
• 回写缓存。

1) 透写缓存

透写缓存是把数据写入缓存内存后，就立即写入非易失存储器。透写缓存的办法是一种最保守的实现方案，因为基本上它不相信缓存能完成后来的写操作。要是某种原因使缓存系统停止运行，而文件系统或数据库系统却发出写请求，虽然不能获得透写缓存的响应，但它们可以访问磁盘上的数据，重新开始正常的操作。透写缓存既可以把数据镜像到这个缓存，也可以不这样做。假如所写的数据是从缓存装入的数据的更新版本，那么，透写缓存将更新缓存中的信息，或者删除缓存中的数据。

写缓存的一个重要的特性是：它们必须修改所有存在的数据实例，或者保证丢弃所有原数据的拷贝。假如系统中存在多个版本的数据，就有可能产生错误，最终错误地将数据存放在非易失存储器中。图显示了透写缓存的例子，例子中的透写缓存在更新缓存的同时，将数据写入非易失存储中。

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2) 回写缓存
回写缓存有时也称为后写缓存，是为了性能缘故而实现的优化。它的基本思路是：为了给应用提供更快的响应，后写缓存首先将几个I / O写操作集中起来，然后一次性地把它们写入非易失存储器，而不是产生一个写请求就执行一个写操作。

这种写操作组合方法使缓存两侧的成分都能获益。对于产生写操作的主机来说，它比从透写缓存中更快地接收到确认；对设备而言，与单独地执行每个操作相比较，统一的写操作所花费的总时间更少。因此，组合的结果是产生更快的操作。图是一个回写缓存过程，在数据传输到非易失存储器之前，回写缓存组合了几个I / O操作。

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数据库系统的I / O操作是非常频繁的，一般情况下，每秒要执行几千个I / O操作。因此，回写缓存能够提供非常大的性能改善。不仅更快捷地接收到每一个I / O的确认，而且，由于每次的更新数据只对缓存操作即可，而不必对非易失存储实施写，因而，写操作的执行速度也快了许多。

这样，同样数据块的多次修改只需一次磁盘写操作。清空缓存的过程通常称为刷新缓存。如前所述，回写缓存的潜在问题就是数据丢失。例如，倘若出现某种灾难时，数据却没有刷新到磁盘，而仍然保持在缓存中，那么，数据就要丢失。由于回写缓存算法对上述提及的数据丢失没有采取任何补救措施，因而必须依赖于其他的方法帮助维护数据的一致性。这些方法通常都使用辅助后备电池，保证在灾难出现时，缓存和子系统仍能运行足够长的时间，使缓存得以刷新缓存到非易失存储。