OS-磁盘管理

磁盘结构

• 盘片 (Platter):
  • 就像叠在一起的 CD 光盘。
  • 每个盘片有两个面 (Surface)，都可以存数据。
  • 盘片围绕主轴高速旋转（常见的转速有 5400 RPM, 7200 RPM, 15000 RPM）。
• 磁头 (Head):
  • 每个盘面对应一个磁头，负责读写数据。
  • 关键点： 磁头是悬浮在盘面上的，不直接接触。
• 磁臂 (Disk Arm):
  • 控制磁头移动的机械臂。
  • 所有盘面的磁头是固定在一个“梳子状”的组件上的，它们共进退。 这意味着：你不能让磁头 1 读内圈，同时让磁头 2 读外圈。它们必须停在同一个半径上。

• **磁道 (Track)
  • 盘面被划分成无数个同心圆，每一个圆环叫一个磁道。
  • 编号从外向内（0号磁道在最外圈）
  • 密度差异： 外圈周长长，存的数据多；内圈周长短，存的数据少（但在老式磁盘中，为了简化控制，所有磁道的扇区数是一样的；现代磁盘采用“多带记录”技术，外圈扇区更多）。
• 扇区(Sector)
  • 每个磁道被切分成若干个小段，叫扇区。
  • 这是磁盘读写的物理最小单位。（操作系统读取数据时，哪怕你只想要 1 个字节，硬盘也必须把整个扇区（512B）读出来交给你）
  • 如果每一圈磁道的扇区数量是固定的，内圈数据密度大，外圈数据密度小。
• 柱面 (Cylinder)
  • 所有盘面上，半径相同的磁道，在这个垂直空间上组成了一个圆筒，叫柱面。

磁盘块寻址

• 要定位一个数据块，操作系统需要给硬盘发三个坐标参数，称为 CHS
• Cylinder (柱面号)： 决定磁臂要把磁头挪到多远的半径（寻道，最慢）。
• Head (磁头号/盘面号)： 决定激活哪一个磁头（电子切换，极快）。
• Sector (扇区号)： 决定等待哪个扇区转到磁头底下（旋转延迟，中等）。
• 磁盘总容量 = 柱面数 × 盘面数 × 每道扇区数 × 扇区大小

一次磁盘读写时间

• 寻道时间 \(T_s\)：将磁头移动到对应的磁道所需时间。启动磁头臂时间\(s\)，跨越磁道数\(n\) ,平均跨越速度\(m\)：\(T_s = s + n\times m\)
• 延迟时间 \(T_R\)：通过旋转磁盘，将磁头定位到目标扇区所需时间。磁盘转速为\(r\)，\(\frac{1}{r}\)是转一圈的时间，找到目标扇区的平均需要装半圈，\(T_R=\frac{1}{2r}\)
• 传输时间 \(T_t\)：从磁盘读写数据要经历的时间。磁盘转速为\(r\)，此次读写字节数为\(b\)，每个磁道上字节数为\(N\)，\(T_t = \frac{b}{rN}\)。
• 延迟时间和传输时间都与磁盘转速有关，是硬件的固有属性，操作系统无法优化。
• 操作系统根据磁盘调度算法优化寻道时间

磁盘调度算法

先来先服务FCFS

• 核心思想：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
• 缺点：如果大量进程竞争使用磁盘，请求磁道很分散，则性能很低，寻道时间长。
• 优点：实现简单。

最短寻找时间优先SSTF

• 核心思想：优先处理与当前磁头最近的磁道，类似贪心思想。
• 优点：性能较好，平均寻道时间短
• 缺点：可能产生饥饿现象（一直处理请求密集区，而不处理距离远的磁道，磁头在一个小区域内来回移动）。

扫描算法SCAN

• 核心思想：只有磁头移动到最外侧磁道时才能往内移动，移动到最内侧磁道时才能往外移动，也叫电梯算法。
• 优点：性能好，不产生饥饿现象
• 缺点：只有到达最边上的磁道才能改变磁头移动方向。对各个位置的磁道响应频率不平均。

LOOK调度

• 思想：在SCAN算法基础上改进，如果磁头在移动方向上没有别的请求，就立即改变磁头移动方向。

循环扫描算法CSCAN

• 思想：只有磁头朝某个方向移动时才处理访问请求，返回时快速移动到起始端，不处理任何请求。
• 优点：解决了SCAN对各个位置的磁道响应频率不平均的问题。
• 缺点：只有到达最边上的磁道才能改变磁头移动方向。

CLOOK算法

• 思想：在CSCAN算法的基础上，如果磁头在移动方向上没有别的请求，就立即让磁头返回，返回到最靠边缘的有磁道访问请求的位置即可

旋转调度

• 旋转调度的目标为：同一个柱面上的各个IO请求。
• 关注那些不同磁道的相同扇区号上的访问请求。
  

减少延迟时间

• 如果逻辑相邻的扇区在物理上也相邻，则读入几个连续的逻辑扇区，延迟时间可能会很长。因为磁头读入一个扇区后需要一小段时间处理，会错过要读入的下一个连续的扇区。
• 使用交替编号的策略：让编号相邻的扇区物理上不相邻，可以使得读取连续逻辑扇区的延迟时间更小。
• 使用错位命名的策略与交替编号类似：让相邻盘面的扇区编号错位，可降低延迟时间