概述

文件系统的最底层：次级和三级存储结构。

基本名词

• 磁盘
• 磁壁
• 磁道
• 扇区
• 柱面
• 传输速率
• 定位时间 / 随机访问时间
• 寻道时间
• 旋转等待时间
• 磁头碰撞
• 软盘
• IO总线
  
  • EIDE
  • ATA
  • …
• 磁带
• …

磁盘结构

现代磁盘驱动器可以看为是一个一维的逻辑块的数组，其按顺序映射到磁盘的扇区。扇区0是最外柱面的第一个磁道的第一个扇区。

逻辑块的映射顺序：先按磁道内的扇区顺序，再按柱面内的磁道顺序，再按柱面从外到内的顺序。

逻辑块是最小的传输单位。

常量线性速度：使用该种介质，扇区的位密度在每个磁道是均匀的。因此由外到内，驱动器会增加速度以保证数据速率稳定。

恒定圆角速度：使用该种介质，扇区的位密度随着由内向外不断降低，以保证数据速率稳定。

磁盘附属

主机附属存储：

• IDE、ATA
-

网络附属存储：
NAS

磁盘调度

名词解释：

• 寻道时间：磁臂将磁头移动到包含目标扇区的柱面的时间。
• 旋转延迟：磁盘将目标扇区移动到磁头下的时间。
• 磁盘带宽：传递的总字节数 ÷ 从服务请求开始到结束的时间

访问时间主要包括寻道时间和旋转延迟，提高调度性能，需要从这两个方面考虑。

FCFS调度

先到先服务算法

会出现大摆动问题（122->14->124）

SSTF调度

最短寻道时间优先算法（shortest-seek-time-first ，SSTF）

选择距离当前磁头位置判定的最短寻道的位置。

是一种最短作业优先调度（SJF），可能会导致饥饿现象。

SCAN调度

也被称为电梯调度，磁臂从一端到另一端移动，处理经过的所有请求，随后改变移动方向，继续处理。

可能会导致另一端的请求虽然很多，但等待时间过长

C-SCAN调度

C-SCAN（circular SCAN）是SCAN调度的一个变种，将柱面当做环，每次从一端到另一端后，马上返回到磁盘开始，从头开始处理请求。

LOOK调度和C-LOOK调度

SCAN和C-SCAN是在整个磁盘范围内移动，但实际上只需要在有请求的最大区间范围内移动即可。

在向一个方向移动时判断是否有请求，并根据请求的边界来放置磁头，这种形式的SCAN调度被称为LOOK调度（同样C-LOOK对应C-SCAN）

如何选择磁盘调度

对于任何调度算法，其性能主要依赖于请求的数量和类型。

磁盘服务请求很大程度上受文件分配方法所影响。程序在读一个连续分配文件时会产生数个在磁盘上相近位置的请求，因而产生有限的磁头移动。

• SSTF较为普通且很有吸引力，因为它比FCFS的性能要好。

• SCAN和C-SCAN对于磁盘符合较大的系统会执行得更好，这是因为它不可能产生饿死问题。

目录和索引块的位置也很重要。由于文件必须打开后才能使用，打开文件要求搜索目录结构，目录会被经常访问。

在内存中缓存目录和索引块有助于降低磁头移动，尤其是对于读请求。

由于选择需要考虑的因素比较复杂，磁盘调度算法应该作为一个操作系统的独立模块，用于方便替换。

但SSTF或LOOK是比较合理的默认算法

磁盘管理

磁盘格式化

在磁盘能存储数据之前，它必须分成扇区以便磁盘控制器能读和写，这个过程称为低级格式化（或物理格式化）

为了使用磁盘存储文件，操作系统还需要将自己的数据结构记录在磁盘上。这分为两步：

• 将磁盘分为一个或多个柱面组成的分区。

  操作系统可以将每个分区作为一个独立的磁盘

• 逻辑格式化（创建文件系统）。操作系统将初始的文件系统数据结构存储到磁盘上。这些数据结构包括空闲和已分配的空间（FAT或者inode）和一个初始为空的目录

为了提高效率，大多数操作系统将块集中到一大块，通常称作簇（cluster）。磁盘IO通过块完成，但是文件系统IO通过簇完成。

这样有效确保了IO可以进行更多的顺序存取和更少的随机存取。

引导块

初始化自举程序初始化系统的各个方面，随后启动操作系统。

对绝大多数计算机，自举程序保存在ROM中。因为改变自举程序需要改变ROM硬件芯片，因此绝大多数系统只在启动ROM中保留一个很小的自举加载程序，其作用是进一步从磁盘上调入更为完整的自举程序，方便修改

实例：Windows2000

Windows2000系统将启动代码放在硬盘的第一个扇区（被称为主引导记录（master boot record），或MBR）。此外，Windows2000中允许硬盘分为一个或多个分区，一个分区为引导分区（boot partition），包含操作系统和设备驱动程序。

Windows2000系统通过运行系统ROM上的代码，开始启动。此代码指示系统从MBR读取引导代码。

MBR中还包含一个硬盘分区列表和一个说明系统引导分区的标志。

坏块

比较常见的磁盘问题是一个或多个扇区坏掉，绝大多数磁盘从工厂里出来时就有坏块。

根据所使用的磁盘和控制器，对这些块有多种处理方式。

对于复杂的磁盘，通常采用扇区备用（sector sparing）/ 转寄（forwarding）：

• 磁盘的控制器维护一个磁盘坏块链表，该链表在低级格式化时已经初始化，并在磁盘整个使用过程中不断更新。
• 低级格式化时将一些块放在一边作为备用，操作系统看不到这些备用的块。控制器可以用备用块来逻辑地替代坏块。

交换空间管理

当物理内存的数量到达临界低点，进程（通常选择最不活跃的进程）从内存转移到交换空间以释放内存空间。

实际上，现代操作系统大多是将交换与虚拟内存技术以及交换页结合起来。

交换空间管理是操作系统的另一底层任务。虚拟内存使用磁盘空间作为内存的扩充。交换空间设计和实现的主要目的是为虚拟内存提供最佳吞吐量。

由于磁盘访问比内存访问要慢很多，所以使用交换空间会严重影响系统性能。

交换空间的使用

不同的操作系统有不同的使用方式，如：

• 保存整个进程映像
• 换页系统可能只用交换空间以存储换出内存的页
• 有的操作系统允许使用多个交换空间。

对交换空间数量的高估比低估更为安全，高估浪费空间，低估则容易造成系统崩溃

交换空间的位置

交换空间可以有两个位置：

• 在普通文件系统上创建
• 在一个独立的磁盘分区上进行（更常见）

这种方式实现简单但是效率较低

另一种方法是将交换空间创建在独立的生（raw）磁盘分区上。这里不需要文件系统和目录结构，只需要一个独立交换空间存储管理器以分配和释放块。

实例：Linux

Linux中，交换空间仅用于匿名内存或几个进程的共享内存区。Linux允许建立一个或多个交换区。

交换区可以是普通文件系统的交换文件或原始交换分区。

每个交换区包含一系列4KB的页槽，同时也对应一个交换映射（Swap map）——整数计数器数组。如果计数器值为0，对应页槽可用；大于0则表示页槽被交换页占据。

计数器的值表示交换页的映射数目。

RAID结构

一个系统可以安装多个磁盘，这可以改善数据读写速度（因为磁盘操作可并行进行）；另一方面这种设置可以使系统有机会改善数据存储的可靠性，因为可以在多个磁盘上存储冗余信息。

这种多种磁盘组织技术，通常称为磁盘冗余阵列（RAID）技术，用于提高性能和可靠性

可靠性

一个磁盘出错会导致大量数据损坏，这是难以忍受的。

而可靠性问题的解决方法，就是引入冗余。存储平常不需要的额外信息，在出错时，可以使用冗余来重新修补损坏信息。因此，即使磁盘损坏，数据也不会损坏。

最为简单（但最为昂贵）的引入冗余的方法是复制每个磁盘。这种技术称为镜像。

磁盘并行

对于多个磁盘，通过在多个磁盘上分散数据，可以改善传输率。最简单的形式是数据分散，即在多个磁盘上分散每个字节的各个位，这种分散称为位级分散。

磁盘系统并行访问有两个主要目的：

• 通过负荷平衡，增加了多个小访问（即页访问）的吞吐量。
• 降低大访问的响应时间。

RAID级别

镜像提供高可靠性，但昂贵，分散提供了高数据传输率，但并未改善可靠性，不同的方案有不同的性价比，可分为不同级别，称为RAID级别。

RAID被分为6种不同的级别，详情参考P406