OS-磁盘管理

磁盘

一个磁盘面被多个同心圆划分，每个同心圆成为磁道，每个磁道又被划分成多个小扇形，一个扇形被称为一个扇区。多个磁盘在垂直方向上堆叠，因此不同磁盘上直径相同的同心圆组成了竖直方向上的柱面。要确定一块数据存储的位置，需要知道柱面号、盘面号、扇区号三个维度的信息

磁盘调度算法

磁盘访问时间

访问时间 = 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间

• 寻道时间

寻道时间又两部分组成：与移动磁道数量 正相关的磁头移动时间 ，以及磁头启动时间 。磁头启动时间由由物理惯性、控制延迟和信号处理等因素共同导致。因此总的来说，寻道时间为：

• 旋转延迟时间

这部分时间指要定位的扇区旋转至磁头所在位置需要的时间。设磁盘转速为 ，那么这部分时间为：

这个公式本来的样子应该是：

是磁头旋转到指定扇区的平均时间，因此 的物理意义为rps，即“转/秒”。如果题目给定是rpm，需要除60转为rps

• 传输时间

与字节数相关、旋转速度相关：

其中 代表单一磁道的容量， 代表待传输的数据总量，因此该式分母可理解为传输速率，该式整体理解为传输总量/传输速率

在三种时间内，寻道时间是主要矛盾

磁盘调度算法

磁盘调度算法主要被用来减少三项时间中的寻道时间

• 先来先服务算法（FCFS）

根据进程请求访问磁盘的顺序进行调度，是最简单的调度算法

最公平

• 最短寻道时间算法（STFF）

改善了平均磁盘服务时间，但可能导致较远的请求饿死

• 扫描算法（SCAN）

“到头了才改变方向”，一定程度上解决了公平性问题，避免了饥饿现象，但不是完全公平的：由于到两边反弹的特性，中间的磁道比两侧的磁道更容易被访问到，因此两边和中间的磁道的地位是不对等的

• 循环扫描算法（CSCAN）

磁头永远不改变移动方向，当移动到头之后直接回到起始位置。

• LOOK算法

如果前方没有请求了，那么立即折返

减少延迟时间方法

除了可以减少寻道时间，我们也可以去减少旋转延迟时间

• 由于磁头在读入一块扇区的内容后，需要一定的时间才能开始下一次读入，因此如果逻辑上相邻的数据被存储在相邻的物理扇区中，可能反倒使旋转延迟时间大大加长。解决方案是对物理扇区交替编号，使得逻辑连续的内容在物理上有一定间隔。在同一盘面上如此，同理，我们可以将不同盘面上的物理扇区也进行错位编号，举例来说即0号盘面上的0号扇区和1号盘面上的1号扇区位于同一垂直方向…

RAID

奇偶校验：把所有需要校验的位全部异或起来

• RAID0：条带化，将数据分割成块并均匀分布存储在两个或更多的磁盘上，这种方法能够显著提高读写速度，因为所有磁盘可以并行的进行读写；但是它没有任何冗余，如果这多块磁盘中的任意一块坏了，整个条带的数据就都丢失了
• RAID1：镜像，即数据完全复制到两块或多块磁盘中。提供了冗余，一块磁盘损坏，另一块镜像磁盘上的数据仍然完好，从而提高了安全性。但存储效率仅有RAID0的50%
• RAID1+0：先对数据进行镜像，然后进行条带化。这样整个磁盘阵列中如果坏一块磁盘，对系统没有影响，坏两块时，如果两块磁盘正好为相互镜像的这一组磁盘，那么意味着条带损坏了，造成数据丢失，否则依然没有影响
• RAID0+1：先条带后镜像，即镜像出两个条带。如果坏一块磁盘，那么损失一个条带，但还有一个条带可以使用；坏两块，如果两块磁盘恰好不属于同一条带，那么两条条带都损坏了，数据丢失，否则依然没事
• RAID2：按位条带化，使用海明码进行校验
• RAID3：只存校验位
• RAID4：采用数据块交叉，且仅使用一个校验盘，即将所有数据块的校验码存储在一个磁盘内，共需要块盘
• RAID5：每个条带上有一个奇偶校验块，这些校验块分散存储在不同的磁盘上，共需要块盘
• RAID6：双维校验独立存取盘阵列。在RAID5基础上额外增加一块盘，即需要块盘

固态磁盘 SSD

SSD通过一个“闪存翻译层”将来自CPU的对于逻辑地址的读写请求转换为对于物理地址的请求，这个翻译层承担了传统磁盘中的“磁盘控制器”的角色

一个SSD由多个物理块组成，每个物理块由多个页组成，数据是以页为单位进行读写的，但数据擦除是以块为单位进行的，且只有当该页所属的块被擦除后才能进行新的写操作。当某个块进行若干次擦除后就会损坏，而一旦一个块损坏了，整个SSD就无法使用了。

为了弥补SSD的寿命缺陷，我们引入磨损均衡技术，以求让各个块的使用寿命相对均衡