操作系统导论习题解答（37. Hard Disk Drives）

Hard Disk Drives

带着问题：磁盘是如何存储和获取数据的？

1. The Interface

磁盘可以看作n个扇区的数组（驱动器地址空间从0到n - 1）。

多扇区操作是可以的。许多文件系统一次将读或写很大字节的内容。但是，在更新磁盘时，驱动制造商唯一保证的就是单个512字节扇区的写入是原子级别的。如果发生不合时宜的功率损耗，则仅较大部分写入的可能完成（破损写入（torn write））。

获取地址连续的块比获取地址不连续的块的开销花费少。

2. Basic Geometry

盘片（platter）：圆形硬质便面，通过引起磁性变化，在其上永久存储数据。

一个磁盘至少有一个盘片。每个盘片有两面。其上有一层薄磁性层，即使磁盘断电，磁性层也能保障驱动器持久存储位。

磁盘围绕主轴（spindle）旋转，旋转速率用RPM（rotations per minute）表示。

数据以扇区的同心圆编码在每个表面上，这样的一个同心圆就叫做一条轨道（track）。一个表面包含许多轨道。

读写过程由磁盘头（disk head）完成；驱动器每个表面有一个磁盘头；磁盘头由磁盘臂（disk arm）连接在一起。

3. A Simple Disk Drive

下图：磁道有12个扇区，每个扇区大小为512字节。

3.1 Single-track Latency：The Rotational Delay

看一下Figure 37.2，磁盘头指在块6。如果我们想要读取块0，磁盘能做的就是等待。由于是逆时针旋转，假设整个磁盘旋转一圈的旋转延迟（rotation delay）为R，那么从块6到块0所用时间为R/2。

3.2 Multiple Tracks：Seek Time

首先看一下Figure 37.3左图。有三个磁道，磁头指向块30。假设我们想要读取块11，驱动器要做的就是把磁盘臂移动到最外面的磁道，这个过程叫做寻道（seek）。

寻道（seek）有三个阶段：

1. 磁盘臂移动加速（acceleration）
2. 磁盘臂全速运动时滑行（coasting），然后在磁盘臂减速时减速（deceleration）
3. 将磁盘头放置（settling）在正确的轨道上

寻道之后，就如Figure 37.3右图。从该图可知，寻道时磁盘也进行旋转。当块11在磁盘头下时，最后阶段I/O将开始，这一阶段叫做传输（transfer）。

3.3 Some Other Details

许多驱动器采用某种磁道偏移（track skew）来确保即使在跨越磁道边界时也可以正确维护顺序读取。

如上图所示，磁盘经常如此偏移由于磁盘头需要时间被放置。

另一个事实就是外面的轨道比里面的轨道有更多的扇区（几何知识）。

最后对于任何现代磁盘来说最只要的部分就是它的缓存（cache），有时也叫做磁道缓冲区（track buffer）。

4. I/O Time：Doing The Math

表示I/O时间如下所示：

I/O率如下所示：

为了更好的理解I/O时间，假设有两个工作负载：

1. random workload
2. sequential workload

看一下下图：

首先对于SCSI执行任意工作负载SCSI：

T_seek = Average Seek

15000 RPM（rotations per minute） = 250 PRS（rotations per second），每一次旋转花费4 ms（1 / 250 PRS），故平均而言T_rotation = 2 ms

T_transfer = 1 / Max Transfer

T_I/O ≈ 6ms

R_I/O = 传输大小 / T_I/O = 0.66 MB/S

同理可得，顺序工作负载。总结如下：

上图说明了一些重要情况：

1. 任意工作负载和顺序工作负载有很大的性能差异
2. 高端性能驱动器和低端性能驱动器在性能方面有很大的不同

5. Disk Scheduling

由于I/O的高开销，操作系统在决定哪个I/O与磁盘交互扮演一个重要角色，更通俗地讲，由磁盘调度程序（disk scheduling）决定。

不像任务调度程序，磁盘调度程度对于每一个任务的长度是未知的，它只能靠好的猜测。通过估计任务花费时间来确定执行最短任务（SJF）。

5.1 SSTF：Shortest Seek Time First

一个早期的磁盘调度程序方法叫做最短寻道时间优先（SSTF）。

如下图所示：假设磁盘头现位于扇区30，我们想要读取扇区21和扇区2的数据，那么首先寻找扇区21然后再寻找扇区2。

在上述情况下，SSJF工作很好。但是也有其缺点：

1. 驱动器的几何结构不适用于主机操作系统，解决方案最近块优先（NBF）
2. starvation（如何处理该情况？）

5.2 Elevator（a.l.a. SCAN or C-SCAN）

解决starvation的早期算法称为SCAN：简单地在磁盘服务请求中来回移动，以使它们在磁道中顺序移动。

该算法有一系列变体算法：

1. F-SCAN：在进行扫描时冻结要服务的队列
2. C-SCAN：从外到内进行扫描，然后在外磁道处重置以重新开始

虽然有效解决了starvation问题，但是SCAN与其派生算法都不是最好的调度技术。SCAN（甚至SSTF）实际上都没有严格地遵守SJF的工作原则。特别是，它们都忽略了旋转。因此有了另一个问题：如何计算磁盘旋转成本？

5.3 SPTF：Shortest Positioning Time First

在了解SPTF之前先了解 SATF（shortest access time first）。

如上图所示，磁盘头位于扇区30，调度程序如何决定是寻找扇区16还是扇区8？这取决于与轮换相比的相对搜索时间。

在现代驱动器中，寻道时间和旋转时间几乎相等，SPTF是有用的并且提升了性能。

5.4 Other Scheduling Issues

还有一些问题我们没有讨论：磁盘调度程序在现代系统的哪里执行？

另一个重要的由磁盘调度程序执行的相关任务是I/O合并（I/O merging）。

例如，想象在Figure 37.8中一系列的读请求块33、块8、块34：

在这个例子中，调度程序应该合并对块33和块34的请求。合并对操作系统特别重要，因为它减少了向磁盘发出的请求数量并且降低了开销。

现代调度程序处理的一个最终问题：在I/O向磁盘发出请求后系统应该等待多久？

一个简单的想法是一旦有一个I/O，那么应该立即向磁盘发出请求。这种方法叫做work-conserving(磁盘永远不会空闲)。但是，预期磁盘调度（anticipatory disk scheduling）的研究表明最好等待一会儿，这种方法叫做non-work-conserving。