引言

本文主要讲解操作系统管理磁盘的原理，概念等。请先回答如下问题，带着问题阅读文章效果更佳。

1. 操作系统是如何管理磁盘的？
2. 如何能提高磁盘的访问速度？
3. 当多个线程同时请求读取操作系统是如何调度？
4. 文件系统是如何组织的？

以下是笔者自己的博客，持续分享java技术栈相关的知识。博客链接：

https://www.yuque.com/objectn/gx4owr

认识磁盘

读写磁盘

读写磁盘的基本过程，首先移动磁头移动到磁道上，然后转动磁道到对应的扇区上。 可简化为：控制器->寻道->旋转->传输。读写磁盘需要的数据：柱面（ C ）、磁头( H )、扇区( S )、缓存(内存位置)。把上述这几个值写到磁盘寄存器上。

为了使用户更方便的使用磁盘和提高磁盘读写效率做了以下抽象：盘块号，

通过盘块号读写磁盘

用户直接使用上面的几个参数比较麻烦。对此进行抽象，通过一个盘块号（block）去找到对应的位置。操作系统通过盘块号加工出柱面、磁头、扇区，进而找到对应的位置。

提高读写速度（盘块的抽象）

先来看一下磁盘的访问时间构成：

磁盘访问时间= 写入控制器时间+ 寻道时间+ 旋转时间+ 传输时间。其中最耗时的就是寻道时间。就是磁头到找到对应扇区的时间。因此连续的内容尽量要写在同一个磁道上。

通过一次多读取几个扇区来提高读写效率，连续的几个扇区也叫盘块。但是多读取几个扇区也有空间上的浪费。浪费的原因：最小分配单位是“盘块”，不是“字节”：操作系统为了管理方便，不会按字节给文件分配磁盘空间，而是以“盘块”为单位。一个盘块通常由多个连续扇区组成（例如 4KB = 8 个 512 字节扇区）。即使一个文件只有 1 字节，它也必须占用整整一个盘块。

下面是空间利用率和读写速度的关系图：

磁盘调度算法

由于操作系统使多进程的，为了支持多进程引入了请求队列，这样如何调度就成了问题。就有了磁盘调度算法,核心还是是要减少寻道时间。

简单解释以下磁盘调度的过程

• 进程通过盘块号，计算出扇区号
• 通过电梯算法得到放入把盘块号加入请求队列中。
• 然后根据磁盘驱动计算出s,h,c
• 磁盘根据s,h,c得到数据，并给线程。

磁盘调度算法：

FCFS磁盘调度算法

• 原理：严格按照进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度，不管磁头当前位置在哪里。
• 演示：

• • 路径：53 → 98 → 183 → 37 → 122 → 14 → 124 → 65 → 67

• 优点：公平，不会出现“饥饿”现象（即某个请求永远得不到服务）。
• 缺点：平均寻道时间长，性能较差。如果请求序列跨度大（如从14跳到183再跳回37），磁头会剧烈摆动，效率极低。

SSTF磁盘调度

这是一种贪婪算法，只看眼前利益。

• 原理：每次选择距离当前磁头位置最近的那个磁道进行访问。
• 演示：

• • 当前在53。
  • 找最近的：65 (距离12) → 67 (距离2) → 37 (距离30) → 14 (距离23) → 98 (距离84) ...
  • 路径：53 → 65 → 67 → 37 → 14 → 98 → 122 → 124 → 183

• 优点：比FCFS有较好的寻道性能，平均寻道时间较短。
• 缺点：可能导致“饥饿”。如果一直有请求集中在磁头附近（例如一直在60左右），那么远处的请求（如183或14）可能永远得不到服务。

SCAN磁盘调度

模拟了现实生活中的电梯运行逻辑。

• 原理：磁头沿一个方向（例如向磁道号增加的方向）移动，途中处理所有请求，直到到达磁盘的最边缘（即使边缘没有请求也要走到头），然后改变方向，反向处理请求。
• 演示（假设向右/大号方向移动）：

• • 路径：53 → 65 → 67 → 98 → 122 → 124 → 183 → (碰到边缘199掉头) → 37 → 14

• 优点：避免了SSTF的饥饿问题，吞吐量较高。
• 缺点：对刚扫描过的区域（例如刚刚走过的53左边的区域）不公平，这些区域的请求必须等到磁头走个来回才能被响应，导致等待时间方差较大。

C-SCAN磁盘调度(电梯算法)

这是对SCAN算法的改进，旨在提供更均匀的等待时间。

• 原理：磁头单向移动（例如只从左向右）。当磁头到达最边缘（199）后，立即快速返回到起始端（0），且在返回途中不处理任何请求。回到起点后，再次从头开始向右扫描。这就形成了一个环状结构。
• 演示：

• • 路径：53 → 65 → 67 → 98 → 122 → 124 → 183 → (直接飞回0) → 14 → 37

• 优点：所有磁道的请求等待时间更加均匀，消除了SCAN算法两端快、中间慢（或反之）的差异。
• 缺点：由于回程时不服务，理论上单位时间内的服务次数略少于SCAN，但在实际系统中，因为减少了磁头频繁换向的机械损耗，往往表现更好。

总结对比表

表格

算法	核心策略	优点	缺点	适用场景
FCFS	按顺序排队	简单、公平	效率低，磁头乱跑	负载极轻的系统
SSTF	谁近选谁	平均寻道短	远处请求易“饥饿”	对响应时间敏感
SCAN	走到黑再回头	较好性能，无饥饿	两端请求等待久	通用系统
C-SCAN	单向循环，回程不服务	等待时间均匀	逻辑稍复杂	数据库等重负载系统

从生磁盘到文件

盘块号不够直观，使用还是不方便，因此需要在抽象出一个概念文件。那么如何从文件得到盘块号？要建立字符流和盘块的映射关系。操作系统负责维护这个映射。

FCB（文件控制块）：这是一个逻辑概念，泛指描述文件属性的所有信息集合。每个文件必然有且仅有一个完整的 FCB。这里记录了上面说的映射关系。

连续结构的映射表

实际上就是数组，访问比较快但是插入较慢。

• 做法：文件的所有盘块在磁盘上挨着放。文件中的FCB 回记录 文件名，起始块，块数。
• 缺点：极容易产生外部碎片，且文件很难动态扩展（如果文件后面紧挨着别的文件，就没法变长了）。

链式结构的映射表

是链表，插入快但是访问比较慢。

• 做法：文件可以分散存放在磁盘的任何地方。每个盘块里除了存数据，还留出一部分空间存“下一个盘块的物理地址”（指针）。文件中的FCB 会记录起始块。
• 缺点：

• • 不支持随机访问：想读文件的第 1000 个盘块，必须从第 1 个开始，顺着链表数 1000 次，极其缓慢。
  • 可靠性差：链表中只要有一个指针坏了，后面的数据就全丢了。

索引结构的映射表

• 做法：专门拿出一个盘块作为“索引块”，里面密密麻麻写满了数据盘块的物理地址。文件目录项（FCB）里只存这个索引块的地址。
• 优点：完美支持随机访问，直接查表即可

如果文件较大要使用多级索引。小文件直接映射数据块，中等文件一阶映射，大文件二阶映射。如下图说示：

目录与文件文件系统

引言

多个文件在磁盘中是如何组织？

操作系统开始时把所有的文件都放在同一个目录下，但是造成文件组织混乱，查找不方便。这就引出了目录这个概念，表示一个文件的集合。把不同分类的文件放在不同的目录下。这个目录是以树形结构组织的，方便查找。

下面问题的关键是如何实现目录到盘块的映射的。更具体的就是更具一个路径（"my/data/a"），找到对应文件的FCB。

目录的实现

下图是一个目录树的示例：

如何把子文件的信息存储到父文件。可以把子文件的FCB存储到父文件中，但是FCB太大了，如果子文件较多，就会占用很多空间。要检索文件名，我们可以存储文件名和对应FCB对应的地址。这样就能节省很多空间。下图是文件树的组织结构。

系统实现自举，磁盘存储信息

首先解释一下自举，就是计算机“自己把自己拉起来”的过程。

实现自举磁盘的结构：

inode位图: 哪些inode空闲，哪些被占用数据区

盘块位图: 哪些盘块是空闲的，硬盘大小不同这个位 图的大小也不同

空闲位图(位向量)… 0011110011101 表示磁盘块2、3、4、5、 8、9、10、12空闲

超级块:记录两个位图有多大等信息。

根目录的节点编号是国定的，通常放在超级块中。