Lecture 20: File Systems 1

最新推荐文章于 2025-12-04 15:56:18 发布

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本章小结：

旋转硬盘驱动器的构造和组织
旋转硬盘的访问时间
磁盘调度和缓存
固态硬盘

旋转硬盘

构造

旋转硬盘驱动器由覆盖有可磁化材料的铝/玻璃盘片（platters）制成

读/写头刚刚高于表面（0.2 - 0.07毫米），并连接到一个由单个执行器控制的单个的磁盘臂
数据存储在两边
常见的直径范围从1.8到3.5英寸
它们以恒定的速度旋转（主轴附近的转速小于主轴外的转速）。

磁盘控制器抽象了底层接口
旋转硬盘大约比主存慢4个数量级

低级格式化

低级格式化（Low Level Format）：

低级格式化是指对磁盘或磁盘分区进行初始化的一种操作，通常会清除现有的磁盘或分区中所有资料。

磁盘按以下方式组织：

柱面（Cylinders）：所有导轨相对于主轴处于同一位置
轨道（Tracks）：一个同心圆在一个单一的盘片的一面
扇区（Sectors）：磁道的段（通常是512B或4KB大小）

扇区通常有相等的字节数（前文，数据，纠错码（error correcting code，ECC））

扇区的数量从磁盘的内侧向外侧增加

磁盘扇区

组织

五分钟聊完磁盘 - 简书 (jianshu.com)https://www.jianshu.com/p/eee541370d08柱面斜进（Cylinder skew）是一种偏移量，它被添加到相邻磁道的扇区中，以解释寻道时间
在过去，连续的磁盘扇区是交错的，以考虑传输时间
由于低级格式化（preamble， ECC等），磁盘容量减少。

存取时间

存取时间/访问时间：

指计算机系统中从请求发出到响应返回所经过的时间。

访问时间=寻道时间+旋转延迟+传输时间（Access time = seek time + rotational delay + transfer time）

寻道时间：将手臂移动到圆柱体（优势）所需的时间
旋转延迟：扇区在磁头下出现之前的时间
传输时间：传输数据的时间

多个请求可能同时发生（并发）。因此，访问时间可能会增加排队时间
通过仔细考虑读操作的顺序，寻道时间的优势为优化留出了空间

将臂从一条轨迹移动到另一条轨迹的估计寻道时间 $T_s$ 近似为： $T_s=n\times m+s$

n：要穿过的轨道数
m：每条轨道穿过的时间
s：任何额外的启动延迟

假设磁盘的转速为3600rpm(通常转速在3600~15000 rpm)：

一次旋转大约需要16.7毫秒（ $\frac{60000}{3600}$ ）
平均旋转延迟( $T_r$ )平均为半圈（ $\frac{16.7}{2}\approx 8.3$ ms）

设b表示传输的字节数，N表示每个磁道的字节数，rpm（revolutions per minute）表示每分钟的转速。传输时间 $T_t$ 为：

N个字节需要1转（16.7ms）
b个连续字节需要 $\frac{b}{N}$ 转： $T_t = \frac{b}{N}\times ms\,\, per\,\, revolution$

例子

读取大小为256扇区的文件，使用：

$T_s$ = 20 ms（平均寻道时间）
32个扇区/轨道

如果文件是连续存储的：

第一个轨道：20+8.3+16.7 = 45ms（寻道+旋转延迟+传输时间）
剩余轨道（假设没有柱面斜进，相邻轨道之间的寻道时间可以忽略不计）：8.3+16.7 = 25ms（旋转延迟+传输时间）

总时间为45+7×25 = 220ms = 0.22s

如果扇区的访问不是顺序的而是随机的，我们得到：

每扇区时间 $Time\_per\_sector = T_s+T_r+T_t=20+\frac{16.7}{2}+\frac{16.7}{32}=28.8ms$
256个扇区的总时间 = 256×28.8ms = 7.37s

观察：扇区必须仔细定位，避免磁盘碎片

磁盘调度

概念

操作系统/硬件必须：

战略性地定位/组织文件和扇区
优化磁盘请求以最小化寻道时间和旋转延迟带来的开销

I/O请求随着时间的推移而发生，经过系统调用并排队：

它们保存在每个柱面请求扇区的表中
这允许操作系统拦截并重新排序它们

磁盘调度算法确定处理磁盘请求的顺序，以最小化开销

他们通常使用启发式方法
也就是说，这里讨论的算法都不是最优算法

假设一个有36个柱面的磁盘，编号从1到36

先到先服务

先到先得（First come first served）：按照请求到达的顺序处理请求
考虑以下磁盘请求序列（柱面位置）：
11 1 36 16 34 9 12
按到达顺序（FCFS），总长度为：
| 11-1 | + | 1-36 | + | 36-16 | + | 16-34 | + | 34-9 | + | 9-12 | = 111

最短寻道时间优先

最短寻道时间首先（Shortest seek time first）选择最接近当前头部位置的请求
按照“最短寻道时间优先”（SSTF）的顺序，我们获得了大约50%:
11 1 36 16 34 9 12：
|11-12|+|12-9|+|9-16|+|16-1|+|1-34|+|34-36|=61

最短寻道时间优先可能导致饥饿：

在重载情况下，臂保持在磁盘的中间（边缘柱面的服务很差）
不断到达同一位置的请求可能会使其他区域挨饿

SCAN

“Lift algorithm， SCAN”：保持同一方向移动，直到到达终点（开始向上）；

它继续在当前方向上运行，在经过所有挂起的请求时为它们提供服务
当到达最后一个柱面时，它将反转方向并服务所有挂起的请求（直到到达第一个圆柱体）。

优缺点包括:

“等待时间”的上限是2倍的柱面数，即不发生饥饿
如果磁盘被大量使用，中部柱面是最好的。最大等待时间为N轨道，边缘柱面为2N)

“提升算法，SCAN”：

11 1 36 16 34 9 12:

|11-12|+|12-16|+|16-34|+|34-36|+|36-9|+|9-1|=60

其他扫描变体：LOOK-SCAN， N-step-SCAN

Look-SCAN移动到包含第一个/最后一个请求的柱面（而不是SCAN磁盘上的第一个/最后一个柱面）
寻道是一个柱面接一个柱面，一个柱面包含多个轨道
臂可以粘在柱面上
N-step-SCAN（N步扫描）每次扫描只服务N个请求。

C-SCAN

一旦到达磁盘的外部/内部，磁盘另一端的请求等待的时间最长
SCAN可以通过使用循环扫描（circular scan）方法来改进 ⇒ C-SCAN

磁盘臂在服务请求的一个方向上移动，直到到达最后一个柱面
它反转方向，但在返回时不处理请求
一旦它返回到第一个柱面，它将反转方向并处理请求
它更公平，并且可以均衡整个磁盘的响应时间

C-SCAN 算法 (对于 11 1 36 16 34 9 12):

|11-12|+|12-16|+|16-34|+|34-36|+|36-1|+|1-9|=68

观察

Look-SCAN和变体是算法的合理选择
算法的性能取决于磁盘的请求/负载：一次一个请求 ⇒ FCFS的性能和其他算法一样好
如果请求经过一段时间到达，则很难实现最优算法（它们需要对信息有充分的了解）。

Unix/Linux中的磁盘调度

修改磁盘调度程序

在Linux中，我们可以通过修改文件来修改磁盘调度器：/sys/block/sda/queue/scheduler
我们有三个策略：

noop：这是FCFS的
deadline：N-step-SCAN
cfq：来自Linux的完全公平排队（Complete Fairness Queueing）。

括号之间的是当前的政策。

pszgd@severn:~$ cat /sys/block/sda/queue/scheduler
noop [deadline] cfq

固态硬盘（Solid State Drives，SSDs）

驱动程序缓存：对于大多数当前驱动器，寻找新柱面所需的时间大于旋转时间（在此上下文中请记住预分页！）
因此，读取比实际需要更多的扇区是有意义的

在旋转延迟期间读取扇区（即意外通过）
当要求从一个扇区读取数据时，现代控制器读取多个扇区：每次跟踪（track-at-a-time）缓存

架构

固态硬盘（SSD）：

没有移动部件，使用单级（SLC），多级（MLC），三级（TLC）电路，并遭受磨损和干扰
组织成排（banks），块（blocks），页（pages），并有一些易失性缓存（缓冲，映射表）
经常并行使用多个排（复接排）来提高性能

读/写

将逻辑块映射到物理页面的闪存转换层（Flash Translation Layer）
支持如下操作：

读取：均匀快速随机访问任何页面到任何位置（10微秒）
擦除：包含多个页面的整个块（毫秒级）
编程：写一个页面（100微秒，必须先擦除块）

SSD写操作：

直接映射

逻辑页（由操作系统看到）直接映射到物理页

阅读给定页面的整个块
擦除整个块
将新页面和剩余的旧页面写回去

写性能差（写入放大）和磨损增加（一些块比其他块使用得更多）⇒需要一种不同的日志结构方法

写入放大（write amplification）：

写入放大是闪存和SSD中的不良现象，实际写入的物理数据量是写入数据量的多倍

理解

磁盘访问次数：
按照这个顺序，磁盘请求进入到磁盘驱动程序的柱面为10、22、20、2、40、6和38。

每个圆柱体需要6ms。
需要多少寻道时间：FCFS， SSTF和Look-SCAN（最初向上移动）
在所有情况下，臂最初都在20号柱面上。

1. FCFS（先来先服务）

按请求顺序处理：10, 22, 20, 2, 40, 6, 38。初始位置20。

20 → 10: 移动10个柱面（|20-10|=10）
10 → 22: 移动12个柱面（|10-22|=12）
22 → 20: 移动2个柱面（|22-20|=2）
20 → 2: 移动18个柱面（|20-2|=18）
2 → 40: 移动38个柱面（|2-40|=38）
40 → 6: 移动34个柱面（|40-6|=34）
6 → 38: 移动32个柱面（|6-38|=32）

总移动柱面数：10 + 12 + 2 + 18 + 38 + 34 + 32 = 146
寻道时间：146 * 6ms = 876ms

2. SSTF（最短寻道时间优先）

总是选择距离当前磁头位置最近的请求。初始位置20。
请求序列：10,22,20,2,40,6,38（注意20就在初始位置，所以立即处理，移动0）。
处理顺序：

当前20：最近的有20（距离0）、22（距离2）、10（距离10）→ 先处理20（移动0），移除请求20。
剩余：10,22,2,40,6,38
当前20：最近有22（距离2）和10（距离10）→ 选22（移动2）
剩余：10,2,40,6,38
当前22：最近有38（距离16）和10（距离12）→ 选10（移动12）
剩余：2,40,6,38
当前10：最近有6（距离4）和2（距离8）→ 选6（移动4）
剩余：2,40,38
当前6：最近有2（距离4）和38（距离32）→ 选2（移动4）
剩余：40,38
当前2：最近有38（距离36）和40（距离38）→ 选38（移动36）
剩余：40
当前38→40：移动2

移动柱面数：0（20） + 2（20→22） + 12（22→10） + 4（10→6） + 4（6→2） + 36（2→38） + 2（38→40） = 60
寻道时间：60 * 6ms = 360ms

3. LOOK-SCAN（初始向上移动）

初始向上移动，处理所有大于等于当前位置的请求（升序），然后反向处理剩余请求（降序）。
初始位置20，向上移动。
首先处理所有≥20的请求：20,22,38,40（按升序：20,22,38,40）
然后处理所有<20的请求：10,6,2（按降序：10,6,2）

具体路径：

从20开始（处理20）
向上到22（处理22）
继续向上到38（处理38）
继续向上到40（处理40）
然后反向，向下到10（处理10）
向下到6（处理6）
向下到2（处理2）

移动柱面数：

20→22: 2
22→38: 16
38→40: 2
40→10: 30（因为从40直接到10）
10→6: 4
6→2: 4
总移动：2+16+2+30+4+4 = 58
寻道时间：58 * 6ms = 348ms

注意：初始位置20，第一个请求20无需移动（但已在路径中，从20开始处理，然后移动到22，所以20→22是2柱面）。

总结：

FCFS: 876ms
SSTF: 360ms
LOOK-SCAN: 348ms

最终答案：

FCFS寻道时间：876ms
SSTF寻道时间：360ms
LOOK-SCAN寻道时间：348ms