IO-2、磁盘的使用

参考哈工大李治军老师公开课。

磁盘结构：

磁道：一张磁盘被分成一圈一圈的是磁道；

扇区（sec）：每一个磁道被分成多个段成为扇区；

图1：磁盘结构

柱面（cyl）：多个磁盘重叠放置，在立体空间中，从一个磁道向下有多个重叠磁道称为一个柱面；

柱头（head）：就是每层磁盘有一个去遍历该磁盘面柱头

 

图2：磁盘读取最直观的过程

 

磁盘的使用方式

1、最直接的使用方式：

传递给磁盘控制器：柱面（哪个磁道），磁头（哪一层），扇区，缓存位置，即可把磁盘中的信息读取到缓存中。

 

2、通过盘块号读写磁盘

就是通过一个盘块号(block)进行计算，从而得到第一种方式所需要的三个参数，这种方式需要对扇区进行编号。

图3：通过盘块号读写磁盘

 

首先对扇区进行编号：

由下图不难看出：读写磁盘的时间主要浪费在寻道（寻找柱面）和旋转的时间上。

图4：磁盘读取的时间分布

 

为了减少寻道的时间可以按照如下方式对扇区编号，一个盘面内连续编号，接着在下一层接着编号，从而减少寻道时间和旋转时间。

图5：磁盘盘块号编号方式

 

这样就可以通过block = C * ( Heads * Sectors)+ H * Sectors + S进行推算（公式推导，自己百度）得到相应的三个参数，从而进行磁盘访问。

 

多个进程通过队列使用磁盘

计算机是多进程系统。所以同时肯定不只一个进程需要访问磁盘，所以在磁盘驱动之前加上一个请求队列，用于存储不同进程的请求，那么通过这样的方式访问唯一的问题就是如何控制访问磁盘顺序。

图6：多进程使用磁盘过程

在上面我们知道磁盘访问最耗时的操作在于寻道，所以操作系统需要尽量减少寻道的距离，从而提高磁盘读取的整体效率。

1）、先来先服务算法(FCFS)：就是简单的按照进程请求的先后顺序进行访问磁盘，这样的方法直接简单，但是效率低下（例子如下图）。

图7：先来先服务算法(FCFS)

 

2）、最短寻道算法(SSTF)：就是每次都访问离本磁头最近的磁道，但是这种方式有一个问题，就是在计算机运行的过程中，会不断有磁盘访问请求加入，而对于大多数磁盘访问的磁道都集中在磁盘的中间，那么很有可能导致一些边缘的磁道很难被访问到。例子如图

图8：最短寻道算法(SSTF)

 

3）、电梯算法(SCAN)：就是简单的从一个点开始扫描，需要该磁道就直接读取，直到扫描到边缘再回头反向扫描。但是对于每个周期边缘部分只扫描了一次，而中间却扫描了两次，所以还是由一些不合理的地方。

图9：电梯算法(SCAN)

 

4）、改进的电梯算法：单向扫描，就是沿一个方向扫描到最后一个需要访问的14，而不扫描到0，然后回头不扫描，直接回到另一个边的第一个183，再反方向扫描，这是很多操作系统采用的方法。

图10：单向扫描

最后就得到了生磁盘的使用方法：

图11：生磁盘使用整理

 

文件映射

在上面每个进程通过发送盘块号来访问磁盘，但是用户看见和使用的是文件，不是盘块号，所以操作系统需要再进行一次封装，把文件和盘块号进行一种映射，从而达到访问磁盘的目的。

所有的文件都是字符流，而音频，视频，图片都是相应字符流的不同展现形式。所以对文件的读写其实就是对字符流的操作，而这些字符流通过操作系统映射成对应的盘块号，进行数据的访问。