【如此简单！数据库入门系列】之存储设备简介

news2024/9/23 20:48:42

文章目录

1 前言
2 存储设备分类
3 主存层次结构
4 磁盘结构
5 RAID
6 总结
7 系列文章

1 前言

没有存储，就没有数据！

如果说ER模型和数据库规范化是数据库概念模式的技术和方法，那么存储设备就是数据库物理模式的基础。

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物理存储设备包含哪些类型？这些设备之间存在什么关系？存储设备特性对数据库系统有何影响？

接下来我们来讨论一下有关存储设备的内容。

2 存储设备分类

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存储设备分为三类：

主存储（Primary Storage）
- CPU可直接访问的存储，包括寄存器（Register）和内存（RAM）
- 容量相对较小，但是读写速度极快
- 是易失性的，在电源故障的情况下，所有数据都会丢失
辅助存储（Secondary Storage ）
- CPU无法直接访问的存储，例如，磁盘和闪存驱动器
- 用于存储数据以备将来使用或作为备份
三级存储（Tertiary Storage）
- 计算机系统外部存储，速度最慢。例如，光盘和磁带
- 用于存储大量数据，对整个系统进行备份

为什么要有这么多种存储设备？一个存储设备搞不定吗？

由于技术上的限制，无法解决容量、性能和成本上的矛盾，只能针对特定用途开发特定存储设备。通常来说，性能越高的存储，容量相对较小，成本也相对较高。

主存储 → 辅助存储 → 三级存储：性能↓，容量↑，成本↓
三级存储 → 辅助存储 → 主存储：性能↑，容量↓，成本↑

3 主存层次结构

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主存储可以进一步再分为：

CPU内置寄存器（Register）：性能最快
高速缓存（Cache Memory）：缓存CPU最频繁访问的数据，弥补主内存和CPU性能不匹配问题
主内存（Main Memory）：性能无法满足CPU速度要求，性能较慢，但容量大

这里的Memory和上节提到的RAM是什么关系呢？

RAM（Random Access Memory），即随机存取存储器，允许随机访问数据，用于存储正在运行的程序和数据，通常具备易失性，是构成高速缓存和主内存的设备。
高速缓存（Cache Memory）：通常由特殊的RAM构成
主内存（Main Memory）：通常由RAM构成

4 磁盘结构

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磁盘是最常见的一种辅助存储设备，它由以下部分构成：

盘片（Platters）：磁盘由一个或多个圆形盘片组成，这些盘片由金属或玻璃制成。盘片涂有一层磁性材料，数据以磁脉冲的形式存储在上面
磁头（Heads）：每个盘片都有一个或多个磁头。磁头悬浮在盘片上方，并用于读写数据
执行器臂（Actuator Arms）：执行器臂将磁头移动到盘片的不同位置
主轴（Spindle）：主轴将盘片旋转
磁盘控制器：磁盘控制器管理磁盘的读写操作

磁盘的工作原理：

将数据写入磁盘时，磁盘控制器会将数据分解成小块（扇区，最小存储单位）
执行器臂将磁头移动到要写入数据的扇区上方，然后磁头将数据写入盘片上的磁性材料中
从磁盘读取数据时，执行器臂将磁头移动到要读取数据的扇区上方，然后磁头从盘片上的磁性材料中读取数据

了解磁盘的工作原理有什么用？

从工作原理中可以得出，磁盘读写的动作可分解为：移动、旋转和读写。要想提高磁盘I/O性能，就需要尽可能缩短这三个动作的时间。

磁头读写的时间是固定的，只能想办法缩短移动和旋转的时间，这就要求一次读写的数据要尽可能连续。实际上，数据库系统中有大量优化算法，其最终目的之一，就是降低磁盘I/O。

5 RAID

单个磁盘的容量有限，而且还存在单点故障问题（一个磁盘损坏，其上的数据都会丢失），因此有了RAID技术。

独立磁盘冗余阵列（Redundant Array of Independent Disks，简称RAID）是一种“虚拟化”技术，它将多个磁盘设备连接起来，对外表现为单个逻辑磁盘。

按照连接方式的不同，RAID可以分为以下几种。

RAID 0（条带化）

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在这个级别中，实现了磁盘的条带化。数据被分解成块，这些块分布在不同的磁盘上。每个磁盘接收一个数据块实现并行读写。

它提高了存储设备的速度和性能，但是没有冗余。

RAID 1（镜像）

RAID 1 将数据镜像到两个或多个磁盘上。这提供了冗余性，因为如果一个磁盘发生故障，数据仍然可以从其他磁盘上访问。

RAID 5（分布式奇偶校验）

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RAID 5 将数据条带化存储在多个磁盘上，并使用奇偶校验信息来提供冗余性。如果任何一个磁盘发生故障，数据仍然可以从其他磁盘和奇偶校验信息中重建。

例如，假设Disk 2损坏，A2可以根据A1和A奇偶校验重建。同理，C1可以根据C2和C奇偶校验重建，B奇偶校验可以根据B1和B2重建。

RAID 10（镜像和条带化）

RAID 10 将 RAID 1（镜像）和 RAID 0（条带化）结合在一起。它提供高性能和冗余性，但成本也更高。

除了以上常见的RAID方式外，还有RAID2，RAID3，RAID4和RAID6。

6 总结

存储设备属于硬件层面，是数据持久化的基础，但是底层的设计思想和软件层面是类似的，比如：

引入中间层：软件设计中，如果遇到棘手的问题，总能通过引入一个中间层来解决。硬件中也是如此。例如，引入高速缓存来解决主内存和CPU速度不匹配问题
切分和并行：分布式系统中，通过将数据切片并分布于不同的节点中，实现了扩容和性能提升。同理，RAID技术也是通过将数据切分为块，并行写入多个磁盘中，实现了扩容和性能提升。