【操作系统】4.5文件管理（磁盘）

1. 磁盘结构

磁盘、磁道、扇区

1. 磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以利用这些磁性物质来记录二进制数据
2. 磁盘的盘面被划分成一个个磁道，一个圈就是一个磁道
3. 一个磁道又被划分成一个个扇区，每个扇区就是一个磁盘块，各个扇区存放的数据量相同
4. 内测磁道上的扇区面积比较小，所以数据密度是最大的

在磁盘中读/写数据

1. 需要把“磁头”移动到想要读/写的扇区所在的磁道上
2. 磁盘会转起来，让目标扇区从下面划过，才能完成对扇区的读/写操作

盘面、柱面

• 可以用（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”
• 之前说的存放在外存中的块号，就可以转换（柱面号，盘面号，扇区号）的地址形式
• 可以根据该地址读取一个块
  1. 根据柱面号移动磁臂，让磁头指向指定柱面——找到目标所在的磁道
  2. 激活指定盘面对应的磁头
  3. 磁盘旋转过程中，指定的扇区会从磁头下划过，这样就完成读/写一个块

磁盘分类

1. 磁头是否可以移动
   1. 固定磁头（每个盘面一个磁头）
   2. 移动头磁盘（每个盘面只有一个磁头）
2. 根据盘片是否可更换
   1. 固定盘磁盘
   2. 可换盘磁盘

2. 磁盘调度

1. 一次磁盘读/写需要的时间

1. 寻找(道)时间T_S

• 在读/写数据前，将磁头移动到指定磁盘所花的时间
  1. 启动磁头臂是需要时间的——假设耗时为s
  2. 移动磁头也是需要时间的——假设磁头匀速移动，每跨越一个磁道耗时为m，总共需要跨越n条磁道
  3. 则寻道时间 T_S= s+m*n

2. 延迟时间T_R

• 通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间
  1. 设磁盘转速为 r （转/秒、转/分），典型的转速为5400转/分、7200转/分
  2. 则平均所需要的延迟时间T_R=（1/2）*（1/ r ）=1/ 2r

3. 传输时间T_t

• 从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，假设磁盘转速为 r ，此次读/写的字节数为 b ，每个磁道上的字节数为N
• 则读完一个磁道所需要的时间为1/ r
• 所以要读 b 的数据所要的时间：传输时间T_t=（1/ r ）*（b / N）=（b / rN）

总结

• 所以平均存取时间T_a = T_S + 1/ 2r +（b / rN）
• 延迟时间与传输时间都与磁盘的转速直接相关，这些都是由硬件所决定的，而操作系统并不能通过软件的方法，实现缩短这些时间
• 所以操作系统能做到的只能是缩短寻道时间

2. 磁盘调度算法

1. 先来先服务（FCFS)

1. 根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度
2. 优点：公平，如果请求访问的磁道比较集中的话，算法性能还算可以
3. 缺点：如果有大量的进程竞争使用磁道，请求访问的磁道会很分散，则FCFS算法的性能会很差，寻道时间会很长

2. 最短寻找时间优先（SSTF)

1. 优先处理的磁道是与当前磁头最近的磁道。
2. 可以保证每次的寻道时间最短，但是并不能保证总的寻道时间最短（贪心算法）
   
3. 优点：性能较好，平均寻道时间短
4. 缺点：可能产生饥饿现象：如果系统中有源源不断的访问18和38磁道的请求到来，则150、160、184就会一直等不到处理（小区域来回移动）

3. 扫描算法（SCAN)

1. 为了防止上面的饥饿现象，可以规定：只有磁头移动到最外侧磁道时才能向内移动，移动到最内侧磁道时才能向外移动（又被称为电梯算法）
   
2. 优点：性能较好，平均寻道时间短，不会产生饥饿现象
3. 缺点：
   1. 只有到达最边上的磁道才能改变磁头移动方向，如上例中，访问完184号磁道就不需要再往右了（200白干）
   2. 对于每个磁道的响应频率不同，越靠近边缘响应频率越高

4. LOOK调度算法（题目默认）

1. SCAN算法的改进——解决白干现象，观察前方是否还有需要访问的磁道，若没有了则掉头
2. 上例中从184号磁道就掉头

5. 循环扫描算法（C-SCAN)

1. SCAN算法的改进——解决响应频率不均的问题，规定只有磁头朝特定方向移动时才会处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求（扫地）
2. 优点：相比起SCAN算法，各个磁道的响应频率平均
3. 缺点：200白干现象，返回的时候也不需要返回到 0号，返回到最靠左的 18 即可

6. C-LOOK算法（题目默认）

1. C-SCAN 和 LOOK的结合