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【操作系统概念】第12章：大容量存储阶段

news 2026/2/7 13:15:23

文章目录

0.前言
12.1 概述
12.2磁盘结构
12.3 磁盘调度
- 12.3.1 FCFS调度
- 12.3.2 SSTF调度
- 12.3.3 SCAN调度
- 12.3.4 C-SCAN调度
- 12.3.5 如何选择磁盘调度

0.前言

文件系统从逻辑上来看包括三部分。第10章讨论了文件系统的用户和程序员的接口。第11章描述了操作系统实现这种接口的内部数据结构和算法。本章讨论文件系统的最底层：次级存储（外存）结构。首先，描述磁盘和磁带的物理结构。然后，描述磁盘调度算法，以便调度磁盘I/O的次序来优化性能。接着，讨论磁盘格式化和启动块、坏块以及交换空间的管理。最后，分析RAID系统的结构。

本章目标：

描述外存设备的物理结构及其对设备使用的影响
解释大容量存储设备的性能特点
评估磁盘调度算法
讨论对大容量存储（包括RAIN）提供的操作系统服务

12.1 概述

在这里插入图片描述

文件系统的最底层：次级和三级存储结构。

传输速率：驱动器和计算机之间的数据传输速率
定位时间 / 随机访问时间：由寻道时间和旋转等待时间组成
寻道时间：移动磁臂到所要的柱面的时间
旋转等待时间：等待所要的扇区旋转到磁臂下所用的时间

12.2磁盘结构

现代磁盘驱动器可以看为是一个一维的逻辑块的数组，其按顺序映射到磁盘的扇区。扇区0是最外柱面的第一个磁道的第一个扇区。

逻辑块的映射顺序：先按磁道内的扇区顺序，再按柱面内的磁道顺序，再按柱面从外到内的顺序。

逻辑块是最小的传输单位。

12.3 磁盘调度

名词解释：

寻道时间：磁臂将磁头移动到包含目标扇区的柱面的时间。
旋转延迟：磁盘将目标扇区移动到磁头下的时间。
磁盘带宽：传递的总字节数 ÷ 从服务请求开始到结束的时间

访问时间主要包括寻道时间和旋转延迟，提高调度性能，需要从这两个方面考虑。

12.3.1 FCFS调度

先到先服务算法
会出现大摆动问题（122->14->124）

12.3.2 SSTF调度

最短寻道时间优先算法（shortest-seek-time-first ，SSTF）

选择距离当前磁头位置判定的最短寻道的位置。
是一种最短作业优先调度（SJF），可能会导致饥饿现象。
在这里插入图片描述

12.3.3 SCAN调度

也被称为电梯调度，磁臂从一端到另一端移动，处理经过的所有请求，随后改变移动方向，继续处理。
可能会导致另一端的请求虽然很多，但等待时间过长

12.3.4 C-SCAN调度

C-SCAN（circular SCAN）是SCAN调度的一个变种，将柱面当做环，每次从一端到另一端后，马上返回到磁盘开始，从头开始处理请求。

LOOK调度和C-LOOK调度

SCAN和C-SCAN是在整个磁盘范围内移动，但实际上只需要在有请求的最大区间范围内移动即可。

在向一个方向移动时判断是否有请求，并根据请求的边界来放置磁头，这种形式的SCAN调度被称为LOOK调度（同样C-LOOK对应C-SCAN）
在这里插入图片描述

12.3.5 如何选择磁盘调度

对于任何调度算法，其性能主要依赖于请求的数量和类型。

磁盘服务请求很大程度上受文件分配方法所影响。程序在读一个连续分配文件时会产生数个在磁盘上相近位置的请求，因而产生有限的磁头移动。

SSTF较为普通且很有吸引力，因为它比FCFS的性能要好。
SCAN和C-SCAN对于磁盘符合较大的系统会执行得更好，这是因为它不可能产生饿死问题。

目录和索引块的位置也很重要。由于文件必须打开后才能使用，打开文件要求搜索目录结构，目录会被经常访问。

在内存中缓存目录和索引块有助于降低磁头移动，尤其是对于读请求。

由于选择需要考虑的因素比较复杂，磁盘调度算法应该作为一个操作系统的独立模块，用于方便替换。
但SSTF或LOOK是比较合理的默认算法