1 磁盘的结构

1.1 磁盘、磁道、扇区

磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据

磁盘介绍：

1.2 磁盘如何读取数据

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

1.4 盘面、柱面、磁盘的物理地址

可用（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”。在“文件的物理结构”小节中，我们经常提到文件数据存放在外存中的几号块，这个块号就可以转换成（柱面号，盘面号，扇区号）的地址形式。

可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；
2. 激活指定盘面对应的磁头；
3. 磁盘旋转的过程中，指定的扇区会从磁头下面划过，这样就完成了对指定扇区的读/写。

1.5 磁盘的分类

1.6 磁盘的结构小结

2 磁盘调度算法

2.1 一次磁盘读/写操作需要的时间

1. 寻找时间（寻道时间）T_s：在读/写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间。
   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。则：
   寻道时间T_s=s+m*n

现在的硬盘移动一个磁道大约需要0.2ms，磁臂启动时间约为2ms

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。设磁盘转速为r（单位：转/秒，或转/分），则平均所需的延迟时间T_R=（1/2）*（1/r）=1/2r
   1/r就是转一圈需要的时间。找到目标扇区平均需要转半圈，因此再乘以1/2

硬盘的典型转速为5400转/分，或7200转/分，磁盘转速越高，延迟时间越小，读写速度越快

3. 传输时间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：
   传输时间T_t=（1/r）*（b/N）=b/（rN）

每个磁道要可存N字节的数据，因此b字节的数据需要b/N个磁道才能存储。而读/写一个磁道所需的时间刚好又是转一圈所需要的时间1/r

4. 总的平均存取时间T_t=T_s+1/2r+b/（rN）

5. 延迟时间和传输时间都与磁盘转速相关，且为线性相关。而转速是硬件的固有属性，因此操作系统也无法优化延迟时间和传输时间，但是操作系统的磁盘调度算法会直接影响寻道时间

2.2 先来先服务算法（FCFS）

算法思想：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。

手动模拟：

假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道
按照FCFS的规则，按照请求到达的顺序，磁头需要依次移动到55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道

磁头总共移动了（100-55）+（58-55）+19+21+72+70+10+112+146=498个磁道
响应一个请求平均需要移动498/9=55.3个磁道（平均寻找长度）

优缺点分析：

优点：公平；如果请求访问的磁道比较集中的话，算法性能还算过的去
缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很分散，则FCFS在性能上很差，寻道时间长。

2.3 最短寻找时间优先（SSTF）

算法思想：SSTF算法会优先处理的磁道是与当前磁头最近的磁道。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。（其实就是贪心算法的思想，只是选择眼前最优，但是总体未必最优）

手动模拟：

假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道

磁头总共移动了（100-18）+（184-18）=248个磁道
响应一个请求平均需要移动248/9=27.5个磁道（平均寻找长度）

优缺点分析：

优点：性能较好，平均寻道时间短
缺点：可能产生“饥饿”现象

产生饥饿的原因在于：磁头在一个小区域内来回来去地移动

Eg：本例中，如果在处理18号磁道的访问请求时又来了一个38号磁道的访问请求，处理38号磁道的访问请求时又来了一个18号磁道的访问请求。如果有源源不断的18号、38号磁道的访问请求到来的话，150、160、184号磁道的访问请求就永远得不到满足，从而产生“饥饿”现象。

2.4 扫描算法（SCAN）

算法思想：SSTF算法会产生饥饿的原因在于：磁头有可能在一个小区域内来回来去地移动。为了防止这个问题，可以规定，只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动。这就是扫描算法（SCAN）的思想。由于磁头移动的方式很像电梯，因此也叫电梯算法。

手动模拟：

假设某磁盘的磁道为0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道

磁头总共移动了（200-100）+（200-18）=282个磁道
响应一个请求平均需要移动282/9=31.3个磁道（平均寻找长度）

优缺点分析：

优点：性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象
缺点：

1. 只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动万问，事实上，处理184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了。
2. SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均（如：假设此时磁头正在往右移动，且刚处理过90号磁道，那么下次处理90号磁道的请求就需要等磁头移动很长一段距离；而响应了184号磁道的请求之后，很快又可以再次响应184号磁道的请求了）

2.5 LOOK 调度算法

算法思想：扫描算法（SCAN）中，只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了。LOOK调度算法就是为了解决这个问题，如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向。（边移动边观察，因此叫LOOK）

手动模拟：

假设某磁盘的磁道为0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道

磁头总共移动了（184-100）+（184-18）=250个磁道
响应一个请求平均需要移动250/9=27.5个磁道（平均寻找长度）

优缺点分析：
优点：比起SCAN算法来，不需要每次都移动到最外侧或最内侧才改变磁头万问，使寻道时间进一步缩短

2.6 循环扫描算法（C-SCAN）

算法思想：SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均，而C-SCAN算法就是为了解决这个问题。规定只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求。

手动模拟：

假设某磁盘的磁道为0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道

磁头总共移动了（200-100）+（200-0）+（90-0）=390个磁道
响应一个请求平均需要移动390/9=43.3个磁道（平均寻找长度）

优缺点分析：

优点：比起SCAN来，对于各个位置磁道的响应频率很平均。
缺点：只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了；并且，磁头返回时其实只需要返回到18号磁道即可，不需要返回到最边缘的磁道。另外，比起SCAN算法来，平均寻道时间更长。

2.7 C-LOOK 调度算法

算法思想：C-SCAN算法的主要缺点是只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，并且磁头返回时不一定需要返回到最边缘的磁道上。C-LOOK算法就是为了解决这个问题。如果磁头移动的方向上已经没有磁道访问请求了，就可以立即让磁头返回，并且磁头只需要返回到有磁道访问请求的位置即可。

手动模拟：

假设某磁盘的磁道为0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道

磁头总共移动了（184-100）+（184-18）+（90-18）=322个磁道
响应一个请求平均需要移动322/9=35.8个磁道（平均寻找长度）

优缺点分析：

优点：比起C-SCAN算法来，不需要每次都移动到最外侧或最内侧才改变磁头方向，使寻道时间进一步缩短

2.8 磁盘调度算法小结

3 减少磁盘延迟时间的方法

问题：磁头读入一个扇区数据后需要一小段时间处理，如果逻辑上相邻的扇区在物理上也相邻，则读入几个连续的逻辑扇区，可能需要很长的“延迟时间”
简言之就是读完一个扇区，不能立刻读下一个，而磁盘在旋转，要读相邻的扇区，就是等这一转转完

3.1 交替编号

若采用交替编号的策略，即让逻辑上相邻的扇区在物理上有一定的间隔，可以使读取连续的逻辑扇区所需要的延迟时间更小。

思考：为什么？磁盘的物理地址是（柱面号，盘面号，扇区号）而不是（盘面号，柱面号，扇区号）

1. （盘面号，柱面号，扇区号）读完本转区域再读相邻区域时，需要启动磁头臂，将磁头移动到下一个磁道；
2. （柱面号，盘面号，扇区号）读完本转区域再读相邻区域时，由于柱面号/磁道号相同，只是盘面号不同，因此不需要移动磁头臂。只需要激活相邻盘面的磁头即可

答：读取地址连续的磁盘块时，采用（柱面号，盘面号，扇区号）的地址结构可以减少磁头移动消耗的时间

3.2 错位命名

1. 未采用错位命名
   
2. 采用错位命名
   

3.3 减少磁盘延迟方法小结

4 磁盘管理

4.1 磁盘初始化

1. 进行低级格式化（物理格式化），将磁盘的各个磁道划分为扇区。一个扇区通常可分为头、数据区域（如512B大小）、尾三个部分组成。管理扇区所需要的各种数据结构一般存放在头、尾两个部分，包括扇区校验码（如奇偶校验、CRC循环冗余校验码等，校验码用于校验扇区中的数据是否发生错误）
2. 将磁盘分区，每个分区由若干柱面组成（即分为我们熟悉的C盘、D盘、E盘）
3. 进行逻辑格式化，创建文件系统。包括创建文件系统的根目录、初始化存储空间管理所用的数据结构（如位示图、空闲分区表）
   

4.2 引导快

计算机开机时需要进行一系列初始化的工作，这些初始化工作是通过执行初始化程序（自举程序）完成的

初始化程序可以放在ROM（只读存储器）中。ROM中的数据在出厂时就写入了，并且以后不能再修改
ROM一般在出厂时就集成到了主板之上

以前的操作系统：计算机开机时，先读取ROM中程序并执行，完成初始化工作

初始化程序程序（自举程序）放在ROM中存在什么问题？
万一需要更新自举程序，将会很不方便，因为ROM中的数据无法更改。如何解决呢？

现在的操作系统：ROM中只存放很小的“自举装入程序”，完整的自举程序放在磁盘的启动块（即引导块
/启动分区）上，启动块位于磁盘的固定位置。
拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘（C盘）

4.3 坏块的管理

坏了、无法正常使用的扇区就是“坏块”。这属于硬件故障，操作系统是无法修复的。应该将坏块标记出来，以免错误地使用到它

1. 对于简单的磁盘，可以在逻辑格式化时（建立文件系统时）对整个磁盘进行坏块检查，标明哪些扇区是坏扇区，比如：在FAT表上标明。（在这种方式中，坏块对操作系统不透明）
2. 对于复杂的磁盘，磁盘控制器（磁盘设备内部的一个硬件部件）会维护一个坏块链表。
   在磁盘出厂前进行低级格式化（物理格式化）时就将坏块链进行初始化。
   会保留一些“备用扇区”，用于替换坏块。这种方案称为扇区备用。且这种处理方式中，坏块对操作系统透明。

4.4 磁盘管理小结