【操作系统 · 磁盘】磁盘调度
磁盘（机械硬盘）经典结构：
1. 磁盘调度
磁盘、内存速度差距大，而磁盘调度可以尽可能在现有条件下提高磁盘存储子系统的性能。
1.1 磁盘性能参数
寻道时间（seek time）
寻道时间（seek time）：将磁头臂移到指定磁道所需时间
旋转延迟（relation delay）
旋转延迟（relation delay）：磁头到达扇区开始位置所需时间。即将磁盘的待访问地址区旋转到 读/写磁头 可访问的位置所需时间
传输时间（transfer time）
传输时间（transfer time）：传输数据所需时间
向/从 磁盘传送数据时间取决于 磁盘转速：
假设，T表示传输时间，b表示要传送的字节数，N表示一个磁道中的字节数，r表示转速(r/s)，则：
T = b r N T=\frac{b}{rN} T=rNb
总存取时间（access Time）
总存取时间（access Time）：寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间
若使用Ta表示总平均存取时间时间，Ts表示平均寻道时间，1/2r表示平均旋转延迟，则：
T a = T s + 1 2 r + b r N T_{a}=T_{s}+\frac{1}{2r}+\frac{b}{rN} Ta=Ts+2r1+rNb
※ 时序比较
假设，文件占据了5个相邻磁道中的所有扇区（5个磁道 × 500个扇区/磁道 = 2500个扇区），即顺序组织。
读取第一个磁道时间如下：
平均寻道（4ms）+ 旋转延迟（4ms）+ 读500个扇区（8ms）= 16ms
假设，无需读取其余磁道，每个磁道能在 4 + 8 = 12ms 内读入，则读取整个文件：
总时间 = 16 + (4 + 12) = 64ms = 0.064s
现在随机访问（非顺序访问），对每个扇区：
平均寻道（4ms）+ 旋转延迟（4ms）+ 读1个扇区（0.16ms）= 8.016ms
总时间 = 2500 × 8.016 = 20040ms = 20.04s
显然，读取顺序对I/O性能有很大影响。在文件访问需要读/写多个扇区，我们可以控制存储方法。
1.2 磁盘调度策略
要提高磁盘调度策略，需要尽可能减少寻道时间，产生了不同的磁盘调度策略。
1.2.1 根据请求者选择
随机（Random）
随机调度（random scheduling）：随机访问磁道，性能最差，多用于评估其他调度策略。
特点：用于分析、模拟
先进先出（FIFO）
先进先出（FIFO）：按顺序梳理队列中的项目。
特点：最公平的调度
优先级（PRI）
优先级（PRI）：基于作业优先级调度磁盘，可能会导致短作业迅速通过，而长作业滞留。
特点：在磁盘队列管理之外控制
后进先出 （LIFO）
后进先出 （LIFO）：优先处理最新请求。
因事务处理顺序读取文件，将设备分配给最后到来的用户，减少磁臂运动，提高吞吐量，缩短队列长度。
特点：局部性最好，资源利用率最高
1.2.2 根据被请求者调度
最短服务优先（SSTF）
最短服务优先（SSTF）：选择使磁臂从当前位置开始移动最少的磁盘I/O请求。
特点：利用率高、队列小
SCAN
SCAN（扫描） 算法，可以避免饥饿情况，又称电梯算法。
SCAN（扫描） ：磁臂沿单一方向移动，在途中满足所偶为满足的请求，直至它到达这个方向上的最后一个磁道，或该方向上没有其他请求未知。
LOOK策略：SCAN后，反转服务方向，反方向扫描，同样按顺序完成所有请求。
特点：服务分布比较好
C-SCAN
C-SCAN（循环扫描）：把扫描限定在一个方向上，当访问到某个方向的最后一个磁道，磁臂返回反方向末端磁道，再次开始扫描，减少了新请求的最大延迟。
特点：服务变化较低
N步 SCAN
N步 SCAN：将磁盘请求队列分成长度为N的几个子队列，每次使用SCAN处理一个子队列。处理某个队列时，新请求进入其他队列。
特点：服务保证
FSCAN
FSCAN：使用两个子队列的策略。扫描开始，所有请求置于一个队列。另一个队列为空，用于接收扫描过程中的新请求。
特点：负载敏感
2. RAID
磁盘存储器设计人员意识到，如果使用一个组件对性能的影响有限，那么并行使用多个组件（增加冗余度）可能会获得额外的性能提升。
这种思想很快形成了一种方案，被称为 独立磁盘冗余阵列 （RAID, Redundant Array of Independent Disks, 早期又称 廉价磁盘冗余阵列 ）。即：使用多个小容量驱动器，代替大容量驱动器，并通过从多个驱动器访问数据的方式，提高I/O、增加容量。
RAID方案包括很多级别，其中被认可的级别有0~6，共7个级别，它们之间并没有递进关系，但表明了不同的设计体系结构。它们拥有三大共性：
- "单体" 结构 ：RAID是物理磁盘驱动器组，但OS视其为单体结构
- 条带化 ：数据分布在物理驱动器阵列中
- 数据可恢复性 ：冗余磁盘容量保存奇偶校验信息
| 类别 | 级别 | 说明 | 磁盘请求 | 数据可用性 | 大I/O数据量传送能力 | 小I/O请求率 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 条带化 | 0 | 非冗余 | N | 低于单个磁盘 | 很高 | 读：很高 写：很高 |
| 镜像 | 1 | 被镜像 | 2N | 高于RAID 2、3、4、5 低于RAID 6 |
读：高于单个磁盘 写：与单个磁盘相近 |
读：最快为单个磁盘2倍 写：与单个磁盘相近 |
| 并行访问 | 2 | 通过汉明码实现冗余 | N + m | 明显高于单个磁盘 与 RAID 3、4、5 可比 |
所有列出方案最高 | 约为单个磁盘两倍 |
| 3 | 交错位奇偶校验 | N + 1 | 明显高于单个磁盘 与 RAID 2、4、5 可比 |
所有列出方案最高 | 约为单个磁盘两倍 | |
| 独立访问 | 4 | 交错块奇偶校验 | N + 1 | 明显高于单个磁盘 与 RAID 2、3、5 可比 |
读：与 RAID 0 相近 写：明显慢于单个磁盘 |
读：与 RAID 0 相近 写：明显慢于单个磁盘 |
| 5 | 交错块分布奇偶校验 | N + 2 | 明显高于单个磁盘 与 RAID 2、3、4 可比 |
读：与 RAID 0 相近 写：慢于单个磁盘 |
读：与 RAID 0 相近 写：慢于单个磁盘 |
|
| 6 | 交错块双重分布奇偶校验 | N + 3 | 所有列出方案最高 | 读：与 RAID 0 相近 写：慢于 RAID 5 |
读：与 RAID 0 相近 写：慢于 RAID 5 |
2.1 RAID 0
RAID 0 和 所有 RAID 级别一样，并不是简单地把数据分布在磁盘阵列中：数据呈条状分布在所有可用磁盘中。
磁盘被划分为多个条带，这个条带可以是一个物理块、扇区。这些条带被循环映射到连续的阵列成员。
在一个 n 磁盘阵列中，最初的 n 个逻辑条带保存在 n 个磁盘的每个磁盘上的第一个条带中，从而形成了第一条条带。这样，若访问多个逻辑上连续的条带，可实现并行处理，大大减少了I/O传输时间。
实现高数据传送能力
- 确保 主机存储器（内存）、单个磁盘驱动器之间的整个路径（内部控制总线、主机系统I/O总线、I/O适配器、主机存储器总线）的高效传输。
- 应用程序必须产生能够有效使用磁盘阵列的I/O请求。
实现高速I/O请求率
- 对于少量数据的单独I/O请求，I/O时间由 寻道时间、旋转延迟 决定。
- 对于事务处理环境中，每秒可能由上百条I/O请求。磁盘阵列可以在多个磁盘中平衡I/O负载来提供更高速率。
2.2 RAID 1
RAID 2 ~ 6 通过某种形式的奇偶计算实现冗余，而 RAID 1 通过临时复制所有数据实现冗余。
RAID 1 较好特征：
- 读请求可由包含被请求数据的任何一个磁盘提供服务
- 写请求对两个相应条带进行更新，但可并行完
- 恢复简单。当一个驱动器失效，可从另一个驱动器访问数据
RAID 1 成本较高，它需要 两倍于 逻辑磁盘空间 的物理磁盘空间。在面向事务处理的环境中，读请求 RAID 1 性能 接近 RAID 0 两倍，写请求并无太大优势。
可以按照这种方式操作，因同步需要时间，所以性能接近两倍。
2.3 RAID 2
RAID 2 采用并行访问技术 + 条带化技术，所有磁盘成员参与某个I/O请求执行，条带通常仅有 1个字节 / 1个字。
被请求数据时，相关错误校正码被送到阵列控制器，如果有一位错误，控制器可以立即识别并改正这个错误，使得读操作的存取时间不会减慢。写操作必须同时访问数据磁盘、奇偶校验磁盘。
2.4 RAID 3
RAID 3 采用并行访问技术 + 条带化技术，所有磁盘成员参与某个I/O请求执行，条带通常仅有 1个字节 / 1个字。RAID 3 相比于 RAID 2 更加廉价，无论磁盘阵列多大，仅需一个冗余磁盘。
冗余性 - 奇偶校验
数据重建流程：考虑5个驱动器阵列，其中 X0 ~ X3 包含数据，X4位奇偶校验磁盘。
第 i 位奇偶校验计算：
X 4 ( i ) = X 3 ( i ) ⊕ X 2 ( i ) ⊕ X 1 ( i ) ⊕ X 0 ( i ) X4(i)=X3(i)⊕X2(i)⊕X1(i)⊕X0(i) X4(i)=X3(i)⊕X2(i)⊕X1(i)⊕X0(i)
式中，⊕表示异或操作。
驱动器1失效，则上式两边加上X4(i)⊕X1(i)，得：
X 1 ( i ) = X 4 ( i ) ⊕ X 3 ( i ) ⊕ X 2 ( i ) ⊕ X 0 ( i ) X1(i)=X4(i)⊕X3(i)⊕X2(i)⊕X0(i) X1(i)=X4(i)⊕X3(i)⊕X2(i)⊕X0(i)
由此，X1中数据内容可由阵列中其余磁盘相应条带内容重新生成（原理适用于RAID 3 ~ 6），数据丢失后通过异或得到数据，这种模式称为 缩减模式（reduced mode）
性能 ：RAID 3 因条带小，数据传送率高。但面对事务处理时，效果不佳。
2.5 RAID 4
RAID 4 采用独立访问技术 + 条带化技术，每个磁盘成员都单独运转，因此不同I/O能够并行执行。
独立访问阵列 适合 需要较高I/O请求速度的应用，不适合需要较高数据传送率的应用。
2.6 RAID 5
RAID 5 采用独立访问技术 + 条带化技术，并将奇偶校验条带分布在所有磁盘中（循环分配），避免了 RAID 4 奇偶校验磁盘的潜在 I/O 瓶颈问题。
2.7 RAID 6
RAID 6 使用独立访问技术 + 条带化技术，并采用两种不同的奇偶校验计算，因此需要 N+2 个磁盘组成。
3. 磁盘高速缓存
类似于 位于内存、处理器间的 高速缓冲存储器（cache memory），磁盘高速缓存是内存中为磁盘扇区设置的一个缓冲区，它包含有磁盘部分扇区副本。
两种算法：
- 最近最少使用算法（LRU）
- 最不常使用页面置换算法（Least Frequently Used, LFU）
一种基于频率的置换方案方案：将栈分为三个区：新区、中间区、老区。位于新区中的快访问计数器不会增加，只有老区符合置换条件。中间区使得比较频繁访问的块有机会在进入老区前，增加自己的访问计数器，以至于不会很快被置换。
用两种不同的奇偶校验计算，因此需要 N+2 个磁盘组成。
