OS十一、I/O管理和磁盘调度

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程序控制I/O：处理器代表一个进程给I/O模块发送一个I/O命令，该进程进入忙等待，直到操作完成才可继续
中断驱动I/O：处理器代表进程向I/O模块发送一个I/O命令，
如果该进程的I/O命令是非阻塞的，那么处理器继续执行I/O命令的后续指令；如果是阻塞的，则将当前进程设置为阻塞态并调度其它进程
当I/O执行完后向处理器发送一个中断，再继续执行之前的指令
直接存储器访问（DMA）：一个DMA模块控制内存和I/O模块1之间的数据交互，为传送一块数据，处理器给DMA模块发请求，当整个数据块传送结束后，处理器才被中断
三者的区别与联系在于：程序控制I/O是处理器控制实现I/O与内存之间传送的无中断的，中断驱动I/O是处理器控制的I/O与内存之间传送的有中断的，DMA是I/O与内存间直接传送的不需经过处理器的有中断的I/O
DMA技术工作流程如下：当处理器想读或者写一块数据时，向DMA模块发送命令，然后继续执行其他任务，即已经将I/O操作委托给DMA模块。DMA模块直接向存储器中读或写整块数据，一次传送一个字，数据不再通过处理器，传送结束后，DMA给处理器发送一个中断信号，只有传送开始和结束时才会用到处理器。
缓冲：输入请求发出前就开始执行输入传送，输出请求发出一段时间之后才开始执行输出传送
面向块的I/O设备：将信息保存在块中，块的大小通常是固定的，传送过程中一次传送一块，可以通过块号访问数据。
磁盘和USB卡是面向块的设备的代表
面向流的I/O设备：以字节流的方式输入、输出数据。
终端、打印机、通信端口、鼠标和其他只是设备和其他大多数的非辅存设备，都属于面向流的设备
单缓冲：当用户进程发出I/O请求时，操作系统给该操作分配一个位于内存中系统部分的缓冲区。输入传送的数据被放到系统缓冲区中，当传送完成时，进程会把该块一道用户空间，并立即请求另一块。称为预读或预先输入。用户进程在下一数据块读取的同时，处理已读入的数据块
双缓冲：分配两个系统缓冲区，当一个进程往一个缓冲区中传送数据的同时，操作系统正在清空另一个缓冲区，当两次输入之间的计算时间大于输入时间时，则可以保证进程不需要等待IO
循环缓冲：当使用两个以上的缓冲区时，每一个缓冲区是循环缓冲区的一个单元
寻道时间：将磁头臂移到指定磁道所需要的时间
旋转延迟：一旦选择好磁道，磁盘控制器就开始等待，直到待访问低值区域的扇区旋转到磁头处，磁头到达扇区开始位置的时间称为旋转延迟
存取时间：到达读或写位置所需要的时间，为寻道时间和旋转延迟的总和
传输时间：一旦磁头定位完成，磁头就通过下面旋转的扇区，开始执行读操作或写操作，操作的数据传送部分所需时间，T=b/rN,b表示要传送的字节数，N表示一个磁道中的字节数，r表示旋转速度
总的平均存取时间：T=平均寻道时间+1/2r+b/rN,r为旋转速度，单位为转/秒，1/2r表示平均旋转延迟，b/rN表示传输时间
FIFO：按照接收到的磁道顺序进行处理
最短服务时间优先（SSTF）：是磁头臂从当前位置开始移动最少的磁盘I/O请求，即先向当前距离较短的一边移动到末尾，然后反向到另外一边末尾
SCAN：类似于SSTF，也叫电梯算法，当沿着一边到达末尾时，再返回另一边到达末尾
CSCAN：沿着一边到达最后一个磁道时，然后到另一边末尾，在从末尾向中间移动
FSCAN：当扫描开始时，使用一个队列保持老的请求，将新到达的请求放到一个新的队列中，将老的请求队列处理完之后再处理新的队列
N-step-SCAN：将磁盘请求队列分成长度为N的子队列，每次SCAN处理一个子队列，当处理一个子队列时，新请求必须添加到其他队列中。当N非常大时，接近于SCAN，当N=1时，为FIFO
目的：1提高磁盘存储器性能，通过多个磁盘，多个独立的I/O请求可以并行地进行处理，2通过通过增加冗余度来提高可靠性
RAID0：无冗余，没有冗余数据来提高性能或提供数据保护，数据成条状分布在所有可用磁盘种，每个磁盘被划分成多个条带，一个条带可以是一个物理块、扇区等。在n磁盘阵列中，最初的n个逻辑条带被保存在n个磁盘中每个磁盘的第一个条带中，接下来的n个逻辑条带被保存在n个磁盘每个中的第二个条带中
优点：请求可以并行处理，大大较少了I/O传输时间
RAID1:镜像，同2-6的区别：2-6是使用某种形式的奇偶计算来实现冗余的，而RAID1是通过临时复制所有数据来实现冗余的
定义：每个阵列的每个磁盘都有一个包含相同数据的镜像磁盘
缺点：成本问题，需要两倍于所支持的逻辑磁盘的空间
优点：1.可用于保存重要文件，因为可以提供备份2.对于读操作可以提高I/O请求速度，可以提升2倍
RAID2：汉明码冗余，错误校正使用汉明码，对每个数据磁盘中相应数据都计算一个错误校验码，并且这个码保存在多个奇偶校验磁盘中相应的文件
对于磁盘错误较多的环境是一种有效的选择，但如果可靠性很高，则会矫枉过正，不切实际
RAID3:交错位奇偶校验，不论磁盘阵列多大，RAID3只需要一个冗余磁盘，为所有数据磁盘中同一位置的位的集合计算一个简单的奇偶校验位，而不是错误校验码。
RAID4:块奇偶校验，每个数据磁盘中相应的条带计算一个逐位奇偶校验，奇偶校验位保存在奇偶校验磁盘响应的条带中，每次写操作发生时，不仅需要更新阵列用户数据，还要更新相应的奇偶校验位，且奇偶校验磁盘可能成为瓶颈，因为每次写操作都必须包含奇偶校验磁盘
RAID5:块分布奇偶校验，不同于4之处在于，将奇偶校验条带分布在所有磁盘中，可以避免奇偶校验磁盘潜在的I/O瓶颈问题
RAID6:双重冗余，采用了两种不同的奇偶校验计算，并保存在不同磁盘的不同块中，所以即使两个包含用户数据的磁盘发生错误，也可以重新生成数据
优点：提供了极高的数据可用性，必须同时又三个磁盘发生失效，数据才会丢失
缺点：导致了严重的写性能损失，每次写操作都会影响两个校验快
磁盘高速缓存：比内存小且比内存快的存储器，位于内存和处理器之间
目的：通过局部性原理，减少平均存储器存取时间
当出现一个请求某一特定扇区的I/O请求，首先检测该扇区是否在磁盘高速缓存中。如果在，通过高速缓存满足；如果不在，则把被请求的扇区从磁盘读到磁盘高速缓存中。
由于局部性原理，当一块数据被取入高速缓存以满足一个I/O请求时，很可能将来还会访问这一块数据
LRU最近最少使用算法：置换在高速缓存中未被访问的时间最长的块
LFU最不常使用页面置换算法：置换集合中被访问次数最少的块，通过关联一个计数器并改变数字实现
因为受局部性影响，如果某一段时间内重复访问多次使得数值极高，但这个间隔过去之后，它的极高的数值可能使人误解，因为接下来不会很快访问到它
基于频率的置换算法，目的：为克服LFU的缺点
当高速缓存发生一次未命中时，一个新块被取入一个新区，计数器为1；
只要停留在新区，计数器便保持为1；
如果不在新区且出现高速缓存命中时，计数器数值便增加1；
如果这个块的年龄超出了新区，它的计数器值仍为1，所以下一次置换因为其不在新区且数字较小，则会被置换