设备管理数据统计（设备管理-磁盘调度管理）

（一）磁盘硬件

磁盘相对于内存有如下3个主要优点：容量很大；每位的价格非常低；当关掉电源后，存储的信息不丢失。然而，磁盘的动作是机械运动，无论盘片转动还是磁头移动，都不可能无限快。所以，磁盘读写往往是系统I/O的瓶颈，为改善系统性能，合理地调度磁盘是必要的。

磁盘有很多种类型，最常见的是硬磁盘和软磁盘。磁盘读与写的速度相同，因而用做辅助存储器。为了提供高存储器可靠性，可将若干磁盘组成阵列。从外部看，一个硬盘的组成结构（如图6-8所示）为：磁头（Header）、柱面（Cylinder）和扇区（Sector）。

图6-8 硬盘结构示意图

· 磁头

通常看到的硬盘都是封装好的，看不到内部的构成情况。事实上，在同一个硬盘中存在好几张硬盘盘片（通常为9片），每片硬盘盘片与双面软盘一样，每面有一个读/写头。最上面和最下面两张盘片的外存储面分别与硬盘顶部和底座接触，所以通常这两个存储面不存放数据，也没有对应的磁头。硬盘所包含的盘片数可以用如下公式计算出来：

硬盘盘片数=（磁头数 2）/2

例如常见的16个磁头的硬盘，通常有（16 2）/2=9个存储盘片。

· 柱面

通常，把磁盘存储面上的存储介质同心圆圆环称作磁道。对于硬盘来说，由于有多个盘片，这些盘片中同一位置上的磁道不仅存储密度相同，而且其几何形状就像一个存储介质组成的圆柱一样，所以，将硬盘上的多个盘片上的同一磁道称作柱面。

· 扇区

从几何特性来说，扇区是将磁道按照相同角度等分的扇形。每个磁道上的等分段，都是一个扇区。一个扇区所对应的数据存储量就是数据块大小。通常，一个硬盘扇区的大小在512 ～2 048 B之间。

在现代磁盘技术中，将盘面分为若干区，在外边的区中每个磁道包含的扇区数比里边区中的扇区数多，例如，划分为两个区，外区中每个磁道有32个扇区，而内区中每个磁道有16个扇区。实际磁盘，如WD 18300，有16个区。

为了隐藏每个磁道有多少扇区的细节，现代磁盘驱动器提供给操作系统的是虚拟的几何参数，如有x个柱面、y个磁头，每个磁道z个扇区。当操作系统提出寻道请求时，再由磁盘控制器把请求的参数重新映射成实际的磁道地址。就是说，磁盘的逻辑地址是由逻辑块构成的一维数组，逻辑块是传送的最小单位，其大小一般为512 B。当然，某些磁盘可以低级格式化，此时可以选择另外的逻辑块大小。当文件系统读/写某个文件时，就要由逻辑块号映像成物理块号，由磁盘驱动程序把它转换成磁盘地址，再由磁盘控制器把它映像成具体的磁盘地址。

（二）磁盘调度算法

存取盘块中的信息一般要用3部分时间：首先，系统要把磁头移到相应的磁道或柱面上，这个时间叫做寻道时间；一旦磁头到达指定磁道，必须等待所需要的扇区转到读写头下，这个延迟时间叫做旋转延迟时间；最后，信息实际在盘和内存之间进行传送也要花费时间，这部分时间叫做传输时间。一次磁盘服务的总时间就是这三者之和。

操作系统的一项职责就是有效地利用硬件。对于磁盘驱动器来说，就是尽量加快存取速度和增加磁盘带宽（即所传送的总字节数除以第1个服务请求至最后传送完成所用去的总时间）。通过调度磁盘I/O服务的顺序可以改进存取时间和带宽。对于大多数磁盘来说，寻道时间远大于旋转延迟时间与传输时间之和。所以，减少平均寻道时间就可以显著地改善系统性能。

· 先来先服务法

先来先服务（FCFS）调度算法最简单，也最容易实现。但它并没有提供最佳的服务（平均来说）。例如，有一个请求磁盘服务的队列，要访问的磁道分别是：

98，183，37，122，14，124，65，67

最早来的请求是访问98道，最后一个是访问67道。设磁头最初在53道上，它要从53道移到98道，然后依次移到183，37，122，14，124，65道，最后移到67道，总共移动了640个磁道。其调度方式如图6-9所示。

图6-9 先来先服务调度算法示例

可见，这种调度算法产生的磁头移动幅度太大：从122道到14道，然后又回到124道。如果把邻近磁道的请求放在一起服务（如37和14道，122和124道），那么，磁头移动总量将明显减少，对每个请求的服务时间也减少，从而可改善磁盘的吞吐量。此外，磁头频繁大幅度移动，容易产生机械振动和误差，对使用寿命也有损害。

· 最短寻道时间优先法

在把磁头移到远处、为另外的请求服务之前，应该先把靠近磁头当前位置的所有请求都服务完。这种假定的根据是最短寻道时间优先（Shortest Seek Time First, SSTF）调度算法。SSTF选择的下一个请求距当前磁头所在位置有最小的寻道时间。由于寻道时间通常正比于两个请求的磁道差值，所以，磁头移动总是移到距当前道最近的磁道上去。

例如，用SSTF算法处理上面的请求队列。当前磁头在53道上，最接近的磁道是65。一旦移到65道，则下一个最接近的是67道。在此点，到37道的距离是30，而到98道的距离是31，所以，37道距67道最近，被选为下一个服务对象。接下去的服务顺序是14，98，122，124道，最后是183道，如图6-10所示。

图6-10 最短寻道时间优先调度

采用这种方法，磁头共移动了236个磁道，是FCFS算法的1/3多一点。很明显，它改善了磁盘服务。

SSTF从本质上讲是SJF (短作业优先法) 调度的形式，它可能导致某些请求长期得不到服务（即出现“饥饿”问题）。在实际系统中，请求可在任何时候到达。假设队列中有两个请求，14和186道。当正在为14道服务时，一个靠近它的请求到来，那么，它将在下面得到服务，而186道的请求必须等待。从理论上讲，这种彼此接近的请求流可能接连不断地到达，那么，186道的请求将无限期地等待下去。

SSTF算法与FCFS算法相比有显著改进，但并不是最优的。例如，若把磁头从53道移到37道（尽管它不是靠得最近的），然后移到14道，接下去是65，67，98，122，124和183道，则磁头总移动量降为208个磁道。

· 电梯法

由于到来的请求队列具有动态性质，所以可采用扫描法。磁头从磁盘的一端出发，向另一端移动，遇到所需的磁道时就进行服务，磁头仅移到每个方向上有服务请求的最远的道上。即：一旦在当前方向上没有请求了，磁头的移动方向就反过来，继续下面的服务。这种算法调度磁头的移动过程与调度电梯的移动过程相似，因而称作电梯（Elevator）法。

采用前面的例子，但要知道磁头移动方向和它最近的位置。如果磁头正向0道方向移动，那么，它先为37道服务，接着是14道；到达14道后，因在这个方向上没有请求了，所以磁头移动方向反过来，移向盘的另一端，服务序列分别是65, 67, 98, 122, 124和183道。