操作系统原理之磁盘调度
首先介绍主要的的四种磁头调度算法
（一）先来先服务算法（FCFS）
1、算法思想：按访问请求到达的先后次序服务。
2、优点：简单，公平。
3、缺点：效率不高，相邻两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道，使磁头反复移动，增加了服务时间，对机械也不利。
4、例子：
假设磁盘访问序列：98，183，37，122，14，124，65，67。读写头起始位置：53。求：磁头服务序列和磁头移动总距离（道数）。
由题意和先来先服务算法的思想，得到下图所示的磁头移动轨迹。由此：
磁头服务序列为：98，183，37，122，14，124，65，67
磁头移动总距离=（98-53）+（183-98）+|37-183|+（122-37）+|14-122|+（124-14）+|65-124|+（67-65）=640（磁道）
（二）最短寻道时间优先算法（SSTF）
1、算法思想：优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务，主要考虑寻道优先。
2、优点：改善了磁盘平均服务时间。
3、缺点：造成某些访问请求长期等待得不到服务。
4、例子：对上例的磁盘访问序列，可得磁头移动的轨迹如下图。请同学自己给出磁头服务序列并计算磁头移动总距离。
（三） 扫描算法（电梯算法）（SCAN）
1、算法思想：当设备无访问请求时，磁头不动；当有访问请求时，磁头按一个方向移动，在移动过程中对遇到的访问请求进行服务，然后判断该方向上是否还有访问请求，如果有则继续扫描；否则改变移动方向，并为经过的访问请求服务，如此反复。如下图所示：
扫描算法（电梯算法）的磁头移动轨迹
2、优点：克服了最短寻道优先的缺点，既考虑了距离，同时又考虑了方向。
3、例子：下图是一个示例。请同学自己写出一个可能的磁盘访问序列，并计算磁头移动总距离。
扫描算法图例
（四）单向扫描调度算法（CSCAN）
算法思想：
1、总是从0号柱面开始向里扫描。
2、按照各自所要访问的柱面位置的次序去选择访问者。
3、移动臂到达最后一个柱面后，立即带动读写磁头快速返回到0号柱面。
4、返回时不为任何的等待访问者服务。
5、返回后可再次进行扫描。
下面是作业题目及解法：
1. 若干个等待访问磁盘者依次要访问的柱面为 20,44,40,4,80,12,76，假设每移动一个柱面需要3ms时间，移动臂当前位于40号柱面，磁头正向磁道好增加的方向移动，
请按 FCFS, SSTF, SCAN 算法分别计算为完成上述访问总共花费的寻找时间。
（1）FCFS算法：
移动臂的移动次序为
40 → 20 → 44 → 40 → 4 → 80 → 12 → 76
移动的柱面数 = 20 +24+4+36+76+68+64=292
共花费 3×292=876毫秒
（2）SSTF算法：
移动臂的移动次序为
40 → 44 → 20 → 12 → 4 → 76 → 80
移动的柱面数 = 4+24+8+8+72+4=120
共花费 3×120=360毫秒
（3）SCAN算法：
移动臂的移动次序为
40 → 44 → 76 → 80 → 20 → 12 → 4
移动的柱面数 = 4+32+4+60+8+8=116
共花费 3×116=348毫秒
2.假设计算机系统采用CSCAN(循环扫描)磁盘调度策略,使用2KB的内存空间记录16384个磁盘的空闲状态
⑴请说明在上述条件如何进行磁盘块空闲状态的管理。
⑵设某单面磁盘的旋转速度为每分钟6000转，每个磁道有100个扇区，相临磁道间的平均移动的时间为1ms。若在某时刻，磁头位于100号磁道处，并沿着磁道号增大的方向移动，磁道号的请求队列为50，90，30，120对请求队列中的每个磁道需读取1个随机分布的扇区，则读完这个扇区点共需要多少时间？需要给出计算过程。
(3)如果将磁盘替换为随机访问的 Flash 半导体存储器(如 U 盘、 SSD 等),是否有比 CSCAN 更高效的磁盘调度策略?若有,给出磁盘调度策略的名称并 说明理由;若无,说明理由。
（1）. 2KB = 2*1024*8bit = 16384bit。因此可以使用位图法进行磁盘块空闲状态管理，每1bit表示一个磁盘块是否空闲。
（2）. 每分钟6000转，转一圈的时间为0.01s，通过一个扇区的时间为0.0001s。 则平均旋转延迟时间为0.01/2 = 5ms, 平均平均读取时间为0.1ms。
根据CSCAN算法，被访问的磁道号顺序为100 ，120 ， 30， 50 ， 90,因此，寻道用去的总时间为：（20 + 90 + 20 + 40）* 1ms = 170ms
总共要随机读取四个扇区，用去的时间为：（0.01*0.5 + 0.0001）*4 = 0.0204s = 20.4ms
所以，读完这个扇区点共需要 170ms + 20.4ms = 190.4ms。
（3）采用FCFS调度策略更高效。随机访问的FLASH半导体存储器的物理结构不需要考虑寻道时间和旋转时间延时，可直接按请求的先后顺序执行。
