第10章 磁盘存储器管理

磁盘的结构与访问时间

磁盘结构

• 盘片：存储数据的圆形金属片
• 磁头：读写数据的传感器
• 磁道：磁盘表面的同心圆
• 扇区：磁道上的最小存储单元
• 柱面：所有盘片上相同磁道的集合

访问时间组成

• 寻道时间（Ts）：磁头移动到目标磁道的时间
• 旋转延迟（Tr）：等待目标扇区旋转到磁头下方的时间
• 传输时间（Tt）：数据传输时间
• 总访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间

磁盘调度算法

磁盘调度是为了减少寻道时间，提高磁盘I/O性能。

• 先来先服务（FCFS）：按请求到达顺序服务
  • 优点：公平，算法简单
  • 缺点：寻道时间长，效率低
• 最短寻道时间优先（SSTF）：选择距离当前磁头最近的请求
  • 优点：平均寻道时间较短
  • 缺点：可能造成饥饿现象
• 扫描算法（SCAN）：磁头沿一个方向移动，处理沿途所有请求
  • 优点：避免饥饿，响应时间均匀
  • 缺点：两端请求等待时间长
• 循环扫描算法（C-SCAN）：沿一个方向扫描，到达另一端后快速返回起点
  • 优点：响应时间更均匀
• LOOK算法：改进的SCAN，磁头只移动到最远请求位置
• C-LOOK算法：改进的C-SCAN，磁头只移动到最远请求位置

磁盘管理

磁盘格式化

• 低级格式化：在磁盘上建立扇区标记，设置扇区结构
• 高级格式化：建立文件系统结构（如FAT、NTFS、ext4）

磁盘空间管理

• 位示图：用二进制位表示磁盘块使用状态
• 空闲块链表：链接所有空闲块
• 成组链接法：将空闲块分组成链，提高效率

磁盘错误处理

• 坏块处理：标记坏块，使用备用块替换
• 写回策略：数据写入时机控制
• 事务保护：保证数据一致性

RAID技术

RAID（Redundant Array of Independent Disks）通过多磁盘并行工作提高性能和可靠性。

• RAID 0（条带化）：数据分块存储在多个磁盘上，并行读写
  • 优点：性能高，无冗余
  • 缺点：无容错能力
• RAID 1（镜像）：数据完全复制到多个磁盘
  • 优点：可靠性高，读性能好
  • 缺点：存储利用率低
• RAID 5：分布式奇偶校验，平衡性能和可靠性
• RAID 6：双重分布式奇偶校验，可容忍两个磁盘故障
• RAID 10：结合RAID 0和RAID 1的优点

固态硬盘（SSD）管理

SSD特点

• 随机访问速度快：无机械寻道延迟
• 擦写寿命有限：每个块有擦写次数限制
• 写放大效应：写入数据量可能大于实际数据量

SSD管理策略

• 磨损均衡：均匀分配擦写操作
• 垃圾回收：清理无效数据
• TRIM命令：提前通知SSD哪些数据已被删除
• 写放大控制：减少不必要的写入操作