操作系统(6)--IO管理和磁盘调度学习笔记

IO缓冲：在输入请求发出之前就开始执行输入传送，并且在输出请求发出一段时间之后才开始执行输出传送，这项技术成为缓冲；

执行IO的设备对象是：

1、块设备，可以随机访问，例如硬盘、闪存等；

2、流设备，必须顺序访问，例如串口和键盘；

块设备中最小的可寻址单位是扇区，一般为2的整数倍，最常见的是512。一般的扇区指设备最小寻址单元，块指文件系统最小寻址单元。下图是二者的关系，块包含一个或多个扇区，但大小不能超过一个页面，所以一个页可以容纳一个或多个内存中的块。

缓冲区头：

每一个缓冲区都有一个描述符(struct buffer_head),包含了内核操作需要的所有信息，它的作用是描述磁盘块和物理内存间的映射关系。但在linux 2.6版本以后，多数IO操作都利用页高速缓存和页回写直接操作页面或地址空间，不再使用缓冲区头了。此后linux引入bio结构体代表IO操作，内核通过这两种结构体，保证每种结构所含的信息量尽量少。

页高速缓存：它指的是吧磁盘的数据缓存到物理内存中，把磁盘的访问变为对物理内存的访问。linux的写缓存策略是回写，写数据是写入内存，同时标记页面为“脏”，加入“脏列表”，然后由回写进程写会磁盘，最后清理脏标识。

flush线程会在空闲内存低于一个阈值、或脏页驻留时间过长，或用户主动调用sync(), fsync()时，将脏页回写。flush线程为多线程，一般于设备对应。

执行IO的三种技术

1. 可编程IO：处理器代表一个进程给IO模块发送IO命令，该进程进入忙等待，直到操作完成才可以继续执行；
2. 中断驱动IO：处理器代表进程给IO模块发送IO命令，有两种可能性：如果来自进程IO指令是非阻塞的，那么处理器继续执行发出后续指令，如果IO指令是阻塞的，那么处理器执行得下一条指令则来自操作系统，她将当前的进程设置为阻塞状态并且调度其他进程；
3. 直接存储器访问（DMA）:一个DMA模块控制内存和IO模块之间的数据交换，为传送一块数据，处理器给DMA模块发送请求，并且只有当整个数块传送借宿后，它才被中断；

IO调度：

为了优化寻址操作，内核会将请求合并排序，用以提高整体性能；调度策略有最终期限、预测、完全公正、空操作四种策略，最终降低了读响应时间，也降低了吞吐量。预计策略为linux缺省IO策略，除超大工作符合的服务（例如数据挖掘）效果不错；完全公平策略适用于多媒体环境；空操作适用于完全块设备，例如闪存卡；

DMA：

DMA技术工作流程如下，当处理器想读或者写一块数据时，它通过DMA模块发送一下消息来给DMA模块发出一条命令：

1. 是否请求读操作或写操作，通过在处理器和DMA模块之间使用读写控制线发送；
2. 相关的IO设备地址，通过数据线传送；
3. 从存储器中读或者往存储器中写的起始地址，在数据线上传送，并有DMA模块保存在其地址寄存器中；
4. 读或写的字数，也是通过数据线传送，并有DMA模块保存在其数据计数寄存器中；
5. 备注：DMA和IO模块之间的数据交互是脱离系统总线完成的；

系统总线：系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息，因此，系统总线包含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus)

磁盘调度：

寻道时间(seek time): 磁头定位到磁道所需要的时间；

旋转延迟(rotational delay):磁头到达扇区开始位置的时间；

存取时间：寻道时间+旋转延迟；

目前正常机器的寻道时间小于10ms（其实也很慢啦）

磁盘调度算法：

• SSTF：选择使磁头臂从当前位置开始移动最少的磁盘IO请求；
• SCAN: 要求磁头臂仅沿一个方向移动，并在雨中满足所有未完成的氢气，知道它到达这个方向上的最后一个磁道，或者在这个方向上没有别的请求位置，偏向于最靠里或最靠外的磁道作业，并且偏爱最近的作业（重复地请求一个磁盘容易影响高密度多面磁盘）；
• C-SCAN：把扫描限定在一个方向上；
• N-Step-Scan:把自盘请求队列分为长度为N的自队列，每一次用SCAN处理一个自队列；
• FSCAN：使用两个子队列，一个处理请求，一个接受请求，两个队列轮流扫描；

磁盘高速缓存：

• 目的：通过局部性原理，减小平均存储器存取时间；
• 常用算法：LRU（置换在高速缓存中未被访问时间最长的快）和LFU（置换集合中被访问次数最少的块）；