操作系统原理第十一章：大容量存储
目錄
- 1 磁盤(pán)結(jié)構(gòu)
- 2 磁盤(pán)調(diào)度
- 2.1 先來(lái)先服務(wù)（FCFS）
- 2.2 最短尋道時(shí)間優(yōu)先（SSTF）
- 2.3 掃描算法（SCAN）
1 磁盤(pán)結(jié)構(gòu)
文件是放在磁盤(pán)上的，因此磁盤(pán)的性能是對(duì)操作文件有很大的影響。下圖是一個(gè)磁盤(pán)的結(jié)構(gòu)示意圖，很多個(gè)磁盤(pán)platter圍繞著一個(gè)軸spindle旋轉(zhuǎn)，磁盤(pán)旁邊有磁柱arm assembly，磁柱上有磁臂arm，磁臂的末端有磁頭read-write head，每個(gè)磁頭就可以訪問(wèn)盤(pán)面上的相關(guān)信息：
對(duì)磁盤(pán)劃分時(shí)，我們把磁盤(pán)劃分為很多個(gè)同心的圓環(huán)叫做磁道track，每個(gè)磁道上又劃分了很多等大小的塊叫扇區(qū)sector，在各個(gè)同心圓環(huán)上同一個(gè)磁道上的磁盤(pán)叫做柱面cylinder。
磁盤(pán)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的原理和盒式磁帶類似，只不過(guò)盒式磁帶上存儲(chǔ)是模擬格式的音樂(lè)，而硬盤(pán)上存儲(chǔ)的是數(shù)字格式的數(shù)據(jù)。寫(xiě)入時(shí)，磁頭線圈上加電，在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁化其下的磁性材料；電流的方向不同，所以磁場(chǎng)的方向也不同，可以表示 0 和 1 的區(qū)別。讀取時(shí)，磁頭線圈切割磁場(chǎng)線產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁性材料的磁場(chǎng)方向不同，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向也不同。
磁盤(pán)由若干磁盤(pán)組成，繞樞軸高速旋轉(zhuǎn)，目前主流磁盤(pán)轉(zhuǎn)速7200轉(zhuǎn)/分；我們?cè)诙ㄎ淮疟P(pán)上的某個(gè)記錄時(shí)，往往需要如下三個(gè)參數(shù)：
- 柱面號(hào)：各盤(pán)面所有的讀寫(xiě)頭同時(shí)移動(dòng)，并定位在同樣的垂直位置的磁道上，這些磁道形成了一個(gè)柱面。由外向內(nèi)是：0，1，2，……，L；
- 磁頭號(hào)：磁盤(pán)的全部有效盤(pán)面從上到下依次編號(hào)：0，1，2，……，H。磁頭號(hào)與盤(pán)面號(hào)是相對(duì)應(yīng)的；
- 扇區(qū)號(hào)：將各盤(pán)面分割成若干大小相等的扇區(qū)，編號(hào)：0，1，2，3，……，n。
磁盤(pán)設(shè)備是以一種邏輯塊的一維大數(shù)組的形式編址的，這里的邏輯塊是傳輸?shù)淖钚挝?。邏輯塊的一維數(shù)組映射到磁盤(pán)上一些相連的扇區(qū)。0扇區(qū)是最外邊柱面的第一個(gè)磁道的第一個(gè)扇區(qū)。數(shù)據(jù)首先都映射到一個(gè)磁道，其余的數(shù)據(jù)映射到同一柱面的其他磁道，然后按照從外向里的順序映射到其余的柱面。
磁盤(pán)I/O速度的高低，將直接影響文件系統(tǒng)的性能。提高磁盤(pán)I/O速度的主要途徑有：
- 選擇性能好的磁盤(pán)；
- 設(shè)置磁盤(pán)高速緩沖區(qū)；
- 采用好的磁盤(pán)調(diào)度算法。
前兩種方法都是在硬件上下功夫，最后一種方法是可以由操作系統(tǒng)來(lái)控制的，因此我們主要討論磁盤(pán)調(diào)度算法。
好的磁盤(pán)調(diào)度算法可以縮短磁盤(pán)的訪問(wèn)時(shí)間，磁盤(pán)的訪問(wèn)時(shí)間分為如下三種：
- 尋道時(shí)間Ts：把磁頭從當(dāng)前位置移動(dòng)到指定磁道上所經(jīng)歷的時(shí)間，它與磁盤(pán)轉(zhuǎn)速、移動(dòng)的磁道數(shù)有關(guān)；
- 旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tr：指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷的時(shí)間；
- 傳輸時(shí)間Tt：指把數(shù)據(jù)從磁盤(pán)讀出，或向磁盤(pán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間。
2 磁盤(pán)調(diào)度
在上面提到的磁盤(pán)訪問(wèn)三個(gè)時(shí)間中，操作系統(tǒng)能夠改變的時(shí)間只有尋道時(shí)間，在設(shè)計(jì)磁盤(pán)調(diào)度算法時(shí)，目的就是為了減少尋道時(shí)間（尋道距離）。
2.1 先來(lái)先服務(wù)（FCFS）
先來(lái)先服務(wù)調(diào)度算法的思想如字面意思一樣，這里不再解釋，假設(shè)磁盤(pán)的請(qǐng)求序列為 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ，且磁頭當(dāng)前的位置在53，磁頭移動(dòng)軌跡示意圖如下：
根據(jù)磁頭移動(dòng)的軌跡圖，可以計(jì)算出磁頭總共移動(dòng)了640個(gè)柱面的距離。
2.2 最短尋道時(shí)間優(yōu)先（SSTF）
最短尋道時(shí)間優(yōu)先的思想就是選擇從當(dāng)前磁頭位置所需尋道時(shí)間最短的請(qǐng)求，假設(shè)磁盤(pán)的請(qǐng)求序列為 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ，且磁頭當(dāng)前的位置在53，磁頭移動(dòng)軌跡示意圖如下：
根據(jù)磁頭移動(dòng)的軌跡圖，可以計(jì)算出磁頭總共移動(dòng)了208個(gè)柱面的距離。最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法思想類似于短作業(yè)優(yōu)先算法，有可能引起某些請(qǐng)求的饑餓。
2.3 掃描算法（SCAN）
為了解決最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法造成的饑餓問(wèn)題，這里引入了掃描算法，它不僅考慮到欲訪問(wèn)的磁道與磁頭當(dāng)前位置間的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭當(dāng)前的移動(dòng)方向。算法所選擇的訪問(wèn)對(duì)象應(yīng)當(dāng)是與磁頭當(dāng)前的移動(dòng)方向一致且距離最近的。具體來(lái)說(shuō)就是磁頭從磁盤(pán)的一端開(kāi)始向另一端移動(dòng)，沿途響應(yīng)訪問(wèn)請(qǐng)求，直到到達(dá)了磁盤(pán)的另一端，此時(shí)磁頭反向移動(dòng)并繼續(xù)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求。由于掃描算法類似于現(xiàn)實(shí)中的電梯工作過(guò)程，有時(shí)也稱為電梯算法 。
假設(shè)磁盤(pán)的請(qǐng)求序列為 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ，且磁頭當(dāng)前的位置在53 且朝磁道號(hào)減小的方向移動(dòng)，磁頭移動(dòng)軌跡示意圖如下：
根據(jù)磁頭移動(dòng)的軌跡圖，可以計(jì)算出磁頭總共移動(dòng)了236個(gè)柱面的距離。掃描算法存在著等待問(wèn)題，也就是若磁頭朝一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，又來(lái)了大量另一方向的請(qǐng)求，那么這些請(qǐng)求就要等待較長(zhǎng)時(shí)間磁頭才能過(guò)來(lái)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，引入了 C-SCAN 算法，C的意思就是循環(huán)的意思，它提供比掃描算法更均衡的等待時(shí)間。它的辦法是磁頭從磁盤(pán)的一段向另一端移動(dòng)，沿途響應(yīng)請(qǐng)求。當(dāng)它到了另一端，就立即回到磁盤(pán)的開(kāi)始處，在返回的途中不響應(yīng)任何請(qǐng)求。
假設(shè)磁盤(pán)的請(qǐng)求序列為 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ，且磁頭當(dāng)前的位置在53 且朝磁道號(hào)增加的方向移動(dòng)，磁頭移動(dòng)軌跡示意圖如下：
不管是 SCAN 算法還是 C-SCAN算法，都需要磁頭從一端移到另外一端，如上圖，其實(shí)沒(méi)有必要返回到 0 處，再到 14，為了解決這個(gè)問(wèn)題，引入了 LOOK算法，它的辦法是磁臂在每個(gè)方向上僅僅移動(dòng)到最遠(yuǎn)的請(qǐng)求位置，然后立即反向移動(dòng)，而不需要移動(dòng)到磁盤(pán)的一端。
假設(shè)磁盤(pán)的請(qǐng)求序列為 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ，且磁頭當(dāng)前的位置在53 且朝磁道號(hào)減小的方向移動(dòng)，磁頭移動(dòng)軌跡示意圖如下：
根據(jù)磁頭移動(dòng)的軌跡圖，可以計(jì)算出磁頭總共移動(dòng)了198個(gè)柱面的距離。
此外還有 C-LOOK 算法是對(duì) C-SCAN 算法的改進(jìn)，C-LOOK 的辦法是讓磁臂在每個(gè)方向上僅僅移動(dòng)到最遠(yuǎn)的請(qǐng)求位置，然后立即反向移動(dòng)，而不需要移動(dòng)到磁盤(pán)的一端。
假設(shè)磁盤(pán)的請(qǐng)求序列為 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 ，且磁頭當(dāng)前的位置在53 且朝磁道號(hào)增加的方向移動(dòng)，磁頭移動(dòng)軌跡示意圖如下：
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的操作系统原理第十一章：大容量存储的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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