操作系统的磁盘调度

4. 磁盘调度

大家好！今天我们来讨论磁盘调度。前几节课咱们已经聊了I/O的特点、结构和数据传输，今天咱们通过一个具体的设备优化问题——磁盘调度，来深入了解这个领域。磁盘调度可是个优化高手，咱们的目标是通过它让磁盘访问更快、更顺畅。别急，我会从磁盘怎么工作讲起，一步步带你弄明白。走，咱们开始！

图示：磁盘调度在I/O中的位置

这张图就像咱们的“优化地图”，磁盘调度专门负责让磁盘干活更高效。

4.1 磁盘的工作机理与性能参数

在聊磁盘调度之前，咱们得先搞清楚磁盘是怎么工作的，还有哪些因素影响它的性能。磁盘由几个盘片和一个磁头组组成，每个磁头上有个读写头，对应盘片的正反面。盘片绕着磁盘轴转，数据就分布在这些盘片上。要读写数据，磁头得先移动到指定位置，然后才能动手。

磁盘I/O的时间主要分成三部分：

1. 寻道时间：磁头移动到指定磁道的时间。
2. 旋转延时：盘片转到指定扇区的时间。
3. 数据传输时间：真正读写数据的时间。

其中，寻道时间和旋转延时是关键，它们决定了磁盘快不快。寻道时间跟磁头移动距离有关，旋转延时跟盘片转速有关。咱们优化磁盘调度的目标，就是尽量减少这两块时间，提高访问性能。

• 生活例子：想象你在图书馆找书，寻道时间是你走到书架的时间，旋转延时是翻到那页的时间，传输时间是把内容抄下来的时间。找得快不快，就看前面两步。

图示：磁盘I/O时间分解

4.2 磁盘调度算法

为了让磁盘访问更高效，咱们发明了好几种磁盘调度算法。这些算法通过调整访问顺序，减少磁头移动的距离和时间。接下来我给你们介绍几种常见的算法，讲得明白点！

4.2.1 先进先出（FIFO）

这种算法就是按请求来的顺序处理，谁先来谁先上。公平是公平，但要是请求乱七八糟，磁头跑来跑去，性能就差了。

• 生活例子：就像食堂排队打饭，谁先到谁先打，哪怕后面的人只拿个馒头，也得等前面的人打完菜。

4.2.2 最短寻道时间优先（SSTF）

这个算法聪明点，选离当前磁头最近的请求先处理，能减少移动距离。但有个问题，可能有些请求老等不到，磁头老粘在近处不走。

• 生活例子：你在超市拿东西，总是先拿旁边的，远处的就一直放着，可能永远拿不到。

4.2.3 扫描算法（SCAN）

磁头在一个方向上移动，处理所有请求，到达磁盘边界再回头，像电梯一样，减少了来回跑的时间，性能不错。

• 生活例子：你坐电梯，从一楼到顶楼，把每层要的东西都拿了，再下楼，比乱跑省力。

4.2.4 循环扫描算法（C-SCAN）

磁头只在一个方向移动，到最后一个请求就立刻返回，不用跑到边界。这样更公平，不会让远处的请求等太久。

• 生活例子：还是电梯，但你只从一楼到顶楼送货，到了顶楼就直接回一楼，不用跑完全程。

4.2.5 N步扫描算法

把请求分成几个小队列，每个队列用扫描算法处理，队列之间按顺序来。减少了“磁头粘着”，整体性能更好。

• 生活例子：你把购物清单分成几份，先拿一堆，再拿下一堆，不会老盯着一个区域。

4.2.6 双队列扫描算法（LOOK）

分成两个队列，交替用扫描算法处理，简化了N步扫描，还提高了公平性和性能。

• 生活例子：你和朋友分工，一个拿左边货架，一个拿右边，轮流干活，又快又公平。

图示：磁盘调度算法流程

4.3 磁盘调度算法的性能比较

咱们用一个例子看看这些算法的差别。假设磁头现在在53号位置，请求序列是：98、183、37、122、14、124、65、67。算算磁头移动距离：

• FIFO算法：按顺序走，移动距离是640个单位。跑得太散了！
• SSTF算法：挑最近的走，距离缩到236个单位，效率高多了。
• SCAN算法：单向扫描，到边界再回，距离200个单位，很不错。
• C-SCAN算法：单向到最后就回，距离也是200个单位，公平又高效。
• LOOK算法：到最后一个请求就回，距离还是200个单位，简单又好。

从这看出，SCAN、C-SCAN和LOOK比FIFO和SSTF强，尤其处理随机请求时，磁头移动少，效率高。

• 补充：具体算一下，FIFO是53→98→183→37→122→14→124→65→67，跳来跳去；SSTF是53→65→67→37→14→98→122→124→183，挑近的走；SCAN是从53往183走，再回头到14，省了不少路。

图示：算法性能对比

4.4 总结

同学们，磁盘调度是不是很有意思？它是优化磁盘性能的大功臣，通过合理选算法，能减少磁头移动和旋转延时，让磁盘跑得更快。不同算法适合不同场景，FIFO简单但慢，SSTF快但不公平，SCAN和C-SCAN又快又稳。学会这些，你就知道怎么让磁盘听话了！有什么不明白的，随时问我，咱们下节课见！

这篇博客逻辑清晰，内容丰富，配上流程图和例子，复习起来肯定得心应手！有什么想调整的吗？