操作系统知识点总结（十六）磁盘的结构，磁盘调度算法

（一）磁盘结构

磁盘(Disk)是由表面涂有磁性物质的金属或塑料构成的圆形盘片，通过一个称为磁头 的导体线圈从磁盘中存取数据。在读/写操作期间，磁头固定，磁盘在下面高速旋转。如图 4-23所示，磁盘的盘面上的数据存储在一组同心圆中，称为磁道。每个磁道与磁头一样宽, 一个盘面有上千个磁道。磁道又划分为几百个扇区，每个扇区固定存储大小（通常为512B), 一个扇区称为一个盘块。相邻磁道及相邻扇区间通过一定的间隙分隔开，以避免精度错误。

注意，由于扇区按固定圆心角度划分，所以密度从最外道向里道增加，磁盘的存储能力受限于最内道的最大记录密度。

磁盘安装在一个磁盘驱动器中，它由磁头臂、用于旋转磁盘的主轴和用于数据输入/输 出的电子设备组成。如图4-24所示，多个盘片垂直堆叠，组成磁盘组，每个盘面对应一个 磁头，所有磁头固定在一起，与磁盘中心的距离相同且一起移动。所有盘片上相对位置相同 的磁道组成柱面。按照这种物理结构组织，扇区就是磁盘可寻址的最小存储单位，磁盘地址 用“柱面号 • 盘面号 • 扇区号（或块号）”表示。
 

磁盘按不同方式可以分为若干类型：磁头相对于盘片的径向方向固定的称为固定头磁 盘，每个磁道一个磁头；磁头可移动的称为活动头磁盘，磁头臂可以来回伸缩定位磁道。磁 盘永久固定在磁盘驱动器内的称为固定盘磁盘；可移动和替换的称为可换盘磁盘。

 

（二）磁盘调度算法

一次磁盘读写操作的时间由寻找（寻道）时间、延迟时间和传输时间决定：

1) 寻找时间Ts：活动头磁盘在读写信息前，将磁头移动到指定磁道所需要的时间。这个时间除跨越n条磁道的时间外，还包括启动磁臂的时间s，即：

式中，m是与磁盘驱动器速度有关的常数，约为0.2ms，磁臂的启动时间约为2ms。

2)延迟时间Tr：磁头定位到某一磁道的扇区（块号）所需要的时间，设磁盘的旋转速度为r，则：

对于硬盘，典型的旋转速度为5400r/m，相当于一周11.1ms，则Tr为5.55ms;对于软盘，其旋转速度在300~600r/m之间，则Tr为50~100ms。

3) 传输时间Tt：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，这个时间取决于每次所读/写的字节数b和磁盘的旋转速度：

式中，r为磁盘每秒钟的转数；N为一个磁道上的字节数。

在磁盘存取时间的计算中，寻道时间与磁盘调度算法相关，下面将会介绍分析几种算法，而延迟时间和传输时间都与磁盘旋转速度相关，且为线性相关，所以在硬件上，转速是磁盘性能的一个非常重要的参数。

总平均存取时间Ta可以表示为：

虽然这里给出了总平均存取时间的公式，但是这个平均值是没有太大实际意义的，因为在实际的磁盘I/O操作中，存取时间与磁盘调度算法密切相关。调度算法直接决定寻找时间，从而决定了总的存取时间。

目前常用的磁盘调度算法有以下几种：

1) 先来先服务(First Come First Served, FCFS)算法

FCFS算法根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度，这是一种最简单的调度算法，如图4-25所示。该算法的优点是具有公平性。如果只有少量进程需要访问，且大部分请求都是访问簇聚的文件扇区，则有望达到较好的性能；但如果有大量进程竞争使用磁盘，那么这种算法在性能上往往接近于随机调度。所以，实际磁盘调度中考虑一些更为复杂的调度算法。
 

图4-25 FCFS磁盘调度算法

例如，磁盘请求队列中的请求顺序分别为55、58、39、18、90、160、150、38、184，磁头初始位置是100磁道，釆用FCFS算法磁头的运动过程如图4-25所示。磁头共移动了 (45+3+19+21+72+70+10+112+146)=498 个磁道，平均寻找长度=498/9=55.3。

2) 最短寻找时间优先(Shortest  Seek  Time  First, SSTF)算法

SSTF算法选择调度处理的磁道是与当前磁头所在磁道距离最近的磁道，以使每次的寻找时间最短。当然，总是选择最小寻找时间并不能保证平均寻找时间最小，但是能提供比 FCFS算法更好的性能。这种算法会产生“饥饿”现象。如图4-26所示，若某时刻磁头正在 18号磁道，而在18号磁道附近频繁地增加新的请求，那么SSTF算法使得磁头长时间在18 号磁道附近工作，将使184号磁道的访问被无限期地延迟，即被“饿死”。
 

图4-26  SSTF磁盘调度算法

例如，磁盘请求队列中的请求顺序分别为55、58、39、18、90、160、150、38、184，磁头初始位置是100磁道，釆用SSTF算法磁头的运动过程如图4-26所示。磁头共移动了 (10+32+3+16+1+20+132+10+24)=248 个磁道，平均寻找长度=248/9=27.5。

3) 扫描(SCAN)算法（又称电梯算法）

SCAN算法在磁头当前移动方向上选择与当前磁头所在磁道距离最近的请求作为下一次服务的对象，如图4-27所示。由于磁头移动规律与电梯运行相似，故又称为电梯调度算法。SCAN算法对最近扫描过的区域不公平，因此，它在访问局部性方面不如FCFS算法和 SSTF算法好。
 

图4-27  SCAN磁盘调度算法

例如，磁盘请求队列中的请求顺序分别为55、58、39、18、90、160、150、38、184，磁头初始位置是100 磁道。釆用SCAN算法时，不但要知道磁头的当前位置，还要知道磁头的移动方向，假设磁头沿磁道号增大的顺序移动，则磁头的运动过程如图4-27所示。磁头共移动了(50+10+24+94+32+3+16+1+20)=250 个磁道，平均寻找长度=250/9=27.8。

4) 循环扫描(Circulair SCAN, C-SCAN)算法

在扫描算法的基础上规定磁头单向移动来提供服务，回返时直接快速移动至起始端而不服务任何请求。由于SCAN算法偏向于处理那些接近最里或最外的磁道的访问请求，所以使用改进型的C-SCAN算法来避免这个问题。

釆用SCAN算法和C-SCAN算法时磁头总是严格地遵循从盘面的一端到另一端，显然，在实际使用时还可以改进，即磁头移动只需要到达最远端的一个请求即可返回，不需要到达磁盘端点。这种形式的SCAN算法和C-SCAN算法称为LOOK和C-LOOK调度。这是因为它们在朝一个给定方向移动前会查看是否有请求。注意，若无特别说明，也可以默认SCAN 算法和C-SCAN算法为LOOK和C-LOOK调度。
 

图4-28  C-SCAN磁盘调度算法

例如，磁盘请求队列中的请求顺序分别为55、58、39、18、90、160、150、38、184，磁头初始位置是100磁道。釆用C-SCAN算法时，假设磁头沿磁道号增大的顺序移动，则磁头的运动过程如图4-28所示。磁头共移动了(50+10+24+166+20+1+16+3+32)=322个磁道，平均寻道长度=322/9=35.8。

对比以上几种磁盘调度算法，FCFS算法太过简单，性能较差，仅在请求队列长度接近于1时才较为理想；SSTF算法较为通用和自然；SCAN算法和C-SCAN算法在磁盘负载较大时比较占优势。它们之间的比较见表4-4。
 

表4-4  磁盘调度算法比较

	优  点	缺  点
FCFS算法	公平、简单	平均寻道距离大，仅应用在磁盘I/O较少的场合
SSTF算法	性能比“先来先服务”好	不能保证平均寻道时间最短，可能出现“饥饿”现象
SCAN算法	寻道性能较好，可避免“饥饿”现象	不利于远离磁头一端的访问请求
C-SCAN算法	消除了对两端磁道请求的不公平	--

除减少寻找时间外，减少延迟时间也是提高磁盘传输效率的重要因素。可以对盘面扇区进行交替编号，对磁盘片组中的不同盘面错位命名。假设每个盘面有8个扇区，磁盘片组共 8个盘面，则可以釆用如图4-29所示的编号。
 

图4-29磁盘片组扇区编号

磁盘是连续自转设备，磁头读/写一个物理块后，需要经过短暂的处理时间才能开始读/ 写下一块。假设逻辑记录数据连续存放在磁盘空间中，若在盘面上按扇区交替编号连续存放，则连续读/写多个记录时能减少磁头的延迟时间；同柱面不同盘面的扇区若能错位编号，连续读/写相邻两个盘面的逻辑记录时也能减少磁头延迟时间。

由于传输时间由磁盘转速决定，所以无法通过其他方法减少传输时间。以图4-29为例，在随机扇区访问情况下，定位磁道中的一个扇区平均需要转过4个扇区，这时，延迟时间是传输时间的4倍，这是一种非常低效的存取方式。理想化的情况是不需要定位而直接连续读取扇区，没有延迟时间，这样磁盘数据存取效率可以成倍提高。但是由于读取扇区的顺序是不可预测的，所以延迟时间不可避免。图4-29中的编号方式是读取连续编号扇区时的一种方法。