磁盘调度算法

磁盘优点

1. 容量很大
2. 每位的价格非常低
3. 当关掉电源后存储信息不丢失

物理特性

?? 磁盘表面覆盖着磁性物质，信息记录在磁表面上。固定头磁盘的每个磁道单独有一个磁头，这样就能使得计算机可以很快地从一个磁道转换到另一个磁道。但是这需要大量的头，设备成本很高。更通用的方式是每个盘面只有一个头，让它从一道移向另一道。这种动头设备需要硬件设备移动头。
?? 磁盘一般用于文件存储，设计原则是：成本低、容量大、速度高。扩大存储容量：a.增加每英寸磁道数目; b. 双面记录。
?? 存取盘块中的信息一般要有三部分时间：系统首先要把磁头移到相应的道上或柱面上，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，信息实际在磁盘和内存之间进行传送也要花费时间，这部分时间叫做传送时间。一次磁盘服务的总时间就是这三者之和。
?? 要使磁盘服务尽可能地快，操作系统要提供合适的调度算法，改善磁盘服务的平均时间。
?? 进程需要和磁盘交换信息时必须要操作系统发出系统调用，对磁盘的请求一般要有下述几部分内容：
??1. 输入和输出;
??2. 磁盘地址（驱动器、柱面、面号、扇区）;
??3. 内存地址;
??4. 传送长度。

磁盘调度算法

1、先来先服务调度（FCFS）

?? FCFS 算法是优先为最先到达的请求服务。例如，有如下请求磁盘服务队列，要访问的磁道数分别是：
???? 98，183，37，122，14，124，65，67
?? 排在前面的是先到达的请求，假设磁头目前停留在53磁道上，按照先来先服务的算法，接下来磁头的移动顺序依次是：
??53—>98—>183—>37—>122—>14—>124—>65—>67
这个过程总共移动了（98-53）+（183-98）+（183-37）+（122-37）+（122-14）+（124-14）+（124-65）+（67-65）=640个磁道
?? 这种调度法产生的磁头移动服务太大，磁头频繁的大幅度移动，容易产生机械振动和误差，对使用寿命有损害。所以，要设计好的算法来减少磁头移动幅度，减少服务时间，改善磁盘的吞吐量。

2、最短寻道时间优先法（SSTF）

??优先服务接近于磁头当前位置的请求。SSTF从本质上将是SJF（最短作业优先算法）调度的形式。使用SSTF调度算法，上面那个请求队列的执行顺序是：
??53—>65—>67—>37—>14—>98—>122—>124—>183
总共移动了236个磁道，比FCFS的三分之一多一点，明显改善了磁盘服务。
??但是这种算法并不是最优的。例如，若把磁头从53道移动到37道（尽管不是靠的最近的），然后移动到14，接下去是65，67，98，122，124，183，总共移动了208个磁道<236。
??SSTF也可能导致某些请求长期得不到服务（即“饥饿”问题）。如果当前磁头附近总会不断的到来新的请求，那么距离磁头远的请求将会一直等待下去。

3、扫描法（SCAN）

??由于请求服务的队列具有动态性质，总会有新的请求到达 ，因此可采用扫描算法。读/写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，直至到达磁盘的另一端。在另一端上，磁头移动方向反过来，继续做下面的服务。这样磁头就连续从盘的一端扫到另一端。
??根据前面的例子，但要知道磁头移动的方向和它最近的位置。如果磁头向0道方向移动，则先为37道和14道服务。到达0道，磁头移动方向反过来，并移向磁盘的另一端，接下来服务序列分别是65，67，98，122，124，183。
??在具体实现算法时，没有必要让磁头总是从磁盘的一端移到另一端。更通常的做法是：磁头仅移到每个方向上最远的请求磁道上，一旦在当前方向上没有进一步的服务请求了，磁头的移动方向就会反过来，继续为下面的请求服务。这种算法也称为“电梯算法”。例如上面的例子，磁头服务了37，14后发现前面没有新的请求了，就不会向前继续移动到0道，立即掉头服务65道……
??这种算法会产生的问题是：假定对磁道的请求是均匀分布的，当磁头到达一方最远端并反过方向时，立即落在磁盘后面的请求相对而言很少，因为这些磁道刚刚得到过服务，而在盘的另一端却有较多的请求，其等待的时间也最长。

4、巡回扫描法（C-SCAN）

?? C-SCAN是SCAN的变种，可使得等待的时间变的均匀。与SCAN的区别是，它移动到一端，方向放过来，但是在返回的过程中不进行服务，就是直接从一端切换到另一段，然后再按照刚才的方向移动，遇到请求的磁道就服务。例如上面的例子，先向0道移动，53–>37–>14，然后反方向，换到另一端，183–>124–>122–>98–>67–>65。

磁盘调度算法的选择

?? 任何调度算法的性能都紧紧的依赖于I/O请求的数量和类型，对于磁盘负荷很重的系统来说选择电梯算法和C-SCAN算法更为合适。在极个别情况下，若队列中很少有对于一个未完成的请求，那么所有算法实际上都是等效的。研究表明，通常情况下队列中仅有一个请求。这时，FCFS也是很合适的算法。
??磁盘服务的请求受文件分配方式的影响很大。读连续文件的程度将产生大量的在盘上挤在一起的请求，磁头的移动有限。而对于串连或索引文件来说，可能涉及在盘上广泛分配的盘块，要靠减少磁头移动来获取较好的磁盘使用效率。
??目录和索引块的位置对I/O请求的队列有很重要的影响。如果文件的数据和它的目录项在盘上的位置相距很远，则磁头移动距离很长。如果把目录和索引块放在缓存中，则可明显减少磁头的移动，尤其对读请求更是如此。
??以上仅考虑寻道距离对调度算法的影响。但对于现代磁盘，旋转延迟几乎接近平均寻道时间。然而操作系统很难通过调度来改善旋转延迟时间，因为逻辑块的物理位置对外并未公布。当然，磁盘制造商通过在控制器硬件中实现调度算法可以缓减这个问题。

[以上整理自《操作系统教程—Linux实例分析》 孟庆昌]