操作系统磁盘的结构&磁盘的调度算法

Posted 2022-12-28 bfhonor

一、磁盘的结构

（一）磁盘、磁道、扇区的概念

• 磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据。
  

（二）如何在磁盘中读/写数据

• 需要把“磁头”移动到想要读/写的扇区所在的磁道。
• 磁盘会转起来，让目标扇区从磁头下面划过，才能完成对扇区的读/写操作。
  

（三）盘面、柱面的概念

（四）磁盘的物理地址

• 可用（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”。在“文件的物理结构”小节中，我们经常提到文件数据存放在外存中的几号块，这个块号就可以转换成（柱面号，盘面号，扇区号）的地址形式。
• 可根据该地址读取一个“块”
  ①、根据“柱面号”移动磁臂，让磁头指向指定柱面；
  ②、激活指定盘面对应的磁头；
  ③、磁盘旋转的过程中，指定的扇区会从磁头下面划过，这样就完成了对指定扇区的读/写。

（五）磁盘的分类

二、磁盘调度算法

（一）一次磁盘读/写操作需要的时间

1. 寻找时间

2. 延迟时间

• 延迟时间T_R：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。设磁盘转速为 r （单位：转/秒，或 转/分），则平均所需的延迟时间T_R = (1/2)*(1/r) = 1/2r
• 1/r 就是转一圈需要的时间。找到目标扇区平均需要转半圈，因此再乘以 1/2
• 硬盘的典型转速为5400 转/分，或 7200转/分

3. 传输时间

• 总的平均存取时间 T_a = T_S + 1/2r + b/(rN)
• 延迟时间和传输时间都与磁盘转速相关，且为线性相关。而转速是硬件的固有属性，因此操作系统也无法优化延迟时间和传输时间。
• 但是操作系统的磁盘调度算法会直接影响寻道时间

（二）磁盘调度算法

1. 先来先服务算法（FCFS）

• 根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
• 假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160、150、38、184 号磁道。
• 按照 FCFS 的规则，按照请求到达的顺序，磁头需要依次移动到 55、58、39、18、90、160、150、38、184 号磁道
  
• 磁头总共移动了 45+3+19+21+72+70+10+112+146 = 498 个磁道
• 响应一个请求平均需要移动 498/9 = 55.3 个磁道（平均寻找长度）
• 优点：公平；如果请求访问的磁道比较集中的话，算法性能还算过的去
• 缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很分散，则FCFS在性能上很差，寻道时间长。

2. 最短寻找时间优先算法（SSTF）

• SSTF 算法会优先处理的磁道是与当前磁头最近的磁道。可以保证每次的寻道时间最短，但是并不能保证总的寻道时间最短。（其实就是贪心算法的思想，只是选择眼前最优，但是总体未必最优）
• 假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160、150、38、184 号磁道。
  
• 磁头总共移动了 (100-18) + (184-18) = 248 个磁道
• 响应一个请求平均需要移动 248/9 = 27.5 个磁道（平均寻找长度）
• 优点：性能较好，平均寻道时间短
• 缺点：可能产生“饥饿”现象
• Eg：本例中，如果在处理18号磁道的访问请求时又来了一个38号磁道的访问请求，处理38号磁道的访问请求时又来了一个18号磁道的访问请求。如果有源源不断的 18号、38号磁道的访问请求到来的话，150、160、184 号磁道的访问请求就永远得不到满足，从而产生“饥饿”现象。
• 产生饥饿的原因在于：磁头在一个小区域内来回来去地移动

3. 扫描算法（SCAN）

• SSTF 算法会产生饥饿的原因在于：磁头有可能在一个小区域内来回来去地移动。为了防止这个问题，可以规定， 只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动 。这就是扫描算法（SCAN）的思想。由于磁头移动的方式很像电梯，因此也叫电梯算法。
• 假设某磁盘的磁道为 0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160、150、38、184 号磁道.
  
• 磁头总共移动了 (200-100) + (200-18) = 282 个磁道
• 响应一个请求平均需要移动 282/9 = 31.3 个磁道（平均寻找长度）
• 优点：性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象
• 缺点：
  ①、只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了。
  ②、SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均（如：假设此时磁头正在往右移动，且刚处理过90号磁道，那么下次处理90号磁道的请求就需要等磁头移动很长一段距离；而响应了184号磁道的请求之后，很快又可以再次响应 184 号磁道的请求了）

（1）LOOK调度算法

• 扫描算法（SCAN）中，只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了。LOOK 调度算法 就是为了解决这个问题， 如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向 。（边移动边观察，因此叫 LOOK）
• 假设某磁盘的磁道为 0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160、150、38、184 号磁道.
  
• 磁头总共移动了 (184-100) + (184-18) = 250 个磁道
• 响应一个请求平均需要移动250/9 = 27.5 个磁道（平均寻找长度）
• 优点：比起 SCAN 算法来，不需要每次都移动到最外侧或最内侧才改变磁头方向，使寻道时间进一步缩短

4. 循环扫描算法（C-SCAN）

• SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均，而 C-SCAN 算法 就是为了解决这个问题。规定只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，而 返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求。
• 假设某磁盘的磁道为 0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160、150、38、184 号磁道。
  
• 磁头总共移动了 (200-100) + (200-0) + (90-0)= 390 个磁道
• 响应一个请求平均需要移动 390/9 = 43.3 个磁道（平均寻找长度）
• 优点：比起SCAN 来，对于各个位置磁道的响应频率很平均。
• 缺点：只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了；并且，磁头返回时其实只需要返回到18号磁道即可，不需要返回到最边缘的磁道。另外，比起SCAN算法来，平均寻道时间更长。

（1）C-LOOK 调度算法

• C-SCAN 算法的主要缺点是只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，并且磁头返回时不一定需要返回到最边缘的磁道上。C-LOOK 算法就是为了解决这个问题。 如果磁头移动的方向上已经没有磁道访问请求了，就可以立即让磁头返回，并且磁头只需要返回到有磁道访问请求的位置可 。
• 假设某磁盘的磁道为 0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问 55、58、39、18、90、160、150、38、184 号磁道
  
• 磁头总共移动了 (184-100) + (184-18) + (90-18)= 322 个磁道
• 响应一个请求平均需要移动 322/9 = 35.8 个磁道（平均寻找长度）
• 优点：比起 C-SCAN 算法来，不需要每次都移动到最外侧或最内侧才改变磁头方向，使寻道时间进一步缩短