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Lab Week 18

实验内容：硬盘调度。

编写一个 C 程序模拟实现课件 Lecture25 中的硬盘磁头调度算法，包括FCFS、SSTF、SCAN 和 C-LOOK 调度策略。

• 固定一个硬盘柱面数；
• 输入一批随机的硬盘柱面请求序列，计算各个调度策略下的磁头移动平均总距离(假设磁头运动是理想匀速的，可以把移动距离看作是移动时间，将总时间除以请求数得到平均响应时间)。

分析上述实验结果。

磁盘调度

磁盘为现代计算机系统提供大量外存，容量以GB计数，结构如下所示。

每一层称为一个柱面，共有数千个柱面。每个柱面分有若干个扇区。每个扇区有若干个磁道。数据可以理解为储存在某个柱面的某个扇区的某个磁道上。
在通电后磁盘高速旋转每秒约转60~250次。
读取和写入数据时，磁头要移动到对应的柱面，所需时间称为寻道时间
旋转磁头到目标扇区的时间称为选择延迟
本实验仅考虑寻道时间

操作系统的一个重要职责就是有效利用硬件，让磁盘有较快的访问速度和较宽的带宽。
磁盘带宽指一段传输的总字节数除以传输的时间
当程序需要进行磁盘I/O时，将调用系统调用，但磁盘速度远远慢于内存和CPU，磁盘需要建立等待队列，维护多个待处理的请求。
磁头需要根据磁盘调度算法移动和读写信息。
本实验中不考虑磁头的读写时间。

FCFS先来先服务调度算法

按加入顺序处理I/O请求
貌似对所有进程都是公平的
如果有许多进程/请求，则在性能上接近随机调度
即每一次寻道时间的期望为三分之一的柱面数

代码中用数组模拟的FIFO队列实现
关键代码如下

if(!tim1)
     	{//FCFS算法 
     		while(fifo[h1]==pos1 && h1<=t1)
     		{// 若到达了目标柱面，就执行读写 
     			h1++;
     			ans1++;
			}
     		
     		if(h1<=t1)
     		{
     			if( fifo[h1]> pos1)
				pos1++;
				else
				pos1--;	
			}
			if(ans1==lenth)
			tim1=tim;
		}

若当前移动到了目标位置，则处理该读写请求。
（不处理在同一个位置，但是后来的请求）
若队列非空，则以队头为当前目标位置，决定磁头上移还是下移。

SSTF最短寻道时间优先调度算法

SSTF从当前磁头位置选择具有最小寻道时间的请求。
磁头在找到一个目标，完成读写后，从请求队列里找出距离最近的请求作为下一个目标位置。
由于柱面的逻辑结构是个序列，而不是甜甜圈，这个算法更加优先于处理中间的柱面请求。

关键代码如下

if(!tim2)
{
	ans2+=c2[pos2];
	c2[pos2]=0;
	
	for(int i=0;i<cylinder_num;i++)
	{
		if(pos2-i>=0  && c2[ pos2-i])
		{
			pos2--;
			break;
		}
		if(pos2+i<cylinder_num && c2[pos2+i])
		{
			pos2++;
			break;
		}
	}
	
	if(ans2==lenth)
	tim2=tim;
}

若当前磁头所指的柱面是有被请求的，就处理该请求
随后枚举距离，查看最短距离的求请求在哪里，决定磁头上移还是下移

SCAN扫描算法

磁头从磁盘的一端开始，向另一端移动，扫描每一个柱面，经过柱面时处理请求。当到达磁盘的另一端时，磁头移动方向反转，并继续处理。磁头连续来回扫描磁盘。
有延伸的C-SCAN算法，即磁头在移动到另一端时，立即返回至开头，返程时不处理任何请求

关键代码如下

if(!tim3)
{
	ans3+=c3[pos3];
	c3[pos3]=0;
	
	if(!dir3 && pos3==cylinder_num-1)
	dir3=1;
	
	if(dir3 && pos3==0)
	dir3=0;
	
	if(dir3)
	pos3--;
	else
	pos3++;
	
	if(ans3==lenth)
	tim3=tim;
}

用变量dir维护磁头维护的方向
若dir=0，则磁头向柱面编号增大的方向移动
否则磁头向柱面编号减小的方向移动
若移动到尽头，则改变方向
处理沿途的柱面请求

LOOK调度算法和C-LOOK算法

可以看做SCAN和C-SCAN算法的改进
同样是磁头扫描算法
LOCK中，磁头每次扫描会在最远处的请求处终止，并不会扫描全部柱面
C-LOCK中，每次正向扫描时，磁头移动到正向最远处就停止，返回。
返回时不处理任何请求。返回时同样返回到正向第一个请求所在的柱面出。

实际上返回时不处理请求不会对平均等待时间有较大影响。
但会使得等待时间均匀

代码实现如下

	if(dir4==0)
	{
		ans4+=c4[pos4];
		c4[pos4]=0;
		
		int ok=0;
		for(int i=pos4+1;i<cylinder_num;i++)
		if(c4[i])
		ok=1;
		
		if(ok)
		pos4++;
		else
		dir4=1;
	}
	
	if(dir4==1 && pos4>0)
	pos4--;
	
	if(ans4==lenth)
	tim4=tim;
}

dir=1表示磁头反向移动
若磁头前面已经没有请求了，则将磁头方向翻转
若dir=0，磁头正向移动，处理当前位置的请求
再判断磁头后方是否有请求，若有，则磁头继续前进
否则翻转磁头方向

实验结果

#define lenth 200000  //  柱面访问序列长度 
#define cylinder_num 10000                // 磁盘柱面数 
#define interval 3 // 访问请求间隔 

先假设了柱面访问长度为200000
为了增大不同算法间的差距，设置柱面数为10000
若请求之间没有间隔，则无论多少个请求，扫描算法都能在一次扫描出结果
故设置每个请求在上一个请求到达后3个时间单位到达

结果如下

显然FCFS算法采用先来先服务原则，而生成的柱面访问序列是完全随机的，根据数学知识，随机两个柱面的期望距离为1/3柱面数
从实验结果可以看出，FCFS的平均响应时间确实约为柱面数的三分之一，效果最差。虽然很慢，也许能保证某种程度的公平

SSIF算法每次寻找最近的柱面请求，实际轨迹可能行走出一个之字形。
但在全部请求都已经进入队列后，移动路径长度不超过两倍柱面数，就能处理掉所有的请求。
故平均响应时间为3.06，略大于请求的间隔，因为Z字型效应，算法性能第二差

SCAN算法每次扫描一次就能完成全部请求，在全部请求进入队列后，用不超过，但接近10000的时间就能处理所有请求。
故平均响应时间为3.0497，略大于请求的间隔。因为在最后时，磁头大概率会停止中间，使得几乎要再扫一遍才能完成所有请求，性能略次于C-LOCK

C-LOCK算法中，由于SCAN算法在磁头返回时，有重复走过来时的路，相当于走了一段无用的路，与C-LOCK的单向扫描几乎等价
但C-LOCK走到最远的请求就会停下，走的总路程比SCAN短。
故算法性能最优，时间3.0491，略多于请求的载入间隔。