磁碟管理
磁碟工作原理
基本概念：
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磁碟由許多盤面組成
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盤面：一個碟片有正反兩個盤面
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磁軌，距離軸心越遠編號越小；外道資料訪問速度更快。
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扇區：磁軌上有很多小的扇區，每個扇區儲存的資料量相同
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柱面：同一硬碟中不同碟片的相同半徑的磁軌組成的圓柱。
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磁頭：每個盤面有一個磁頭，所有磁頭只會在同一柱面上
可以用（柱面號，盤面號，扇區號）來定位一個磁碟塊。
Flash Disk的兩種技術：
- NAND的地址分為三部分：塊號、塊內頁號、頁內位元組號
- NAND一次資料訪問一般經過三次定址，隨機位元組讀取速度慢
- NOR的地址線足夠多，且儲存單元室並列排布，可以實現一次性的直接定址，資料定址時間基本是一個常量。
- NOR成本較高，但資料傳輸速度比NAND快。
- NAND的讀寫：
- 讀：以頁為單位
- 寫：先擦除整個塊，再寫入特定頁。
磁碟的組織與排程
CHS模式
磁頭數NH（=盤面數）：表示硬碟總共有幾個磁頭，也就是有幾面碟片，最多為256個。
柱面數NC（=磁軌數）：表示硬碟每一面碟片上有幾條磁軌，最大為1024
扇區數NS：表示每一條磁軌上有幾個扇區，所有0扇區用於存放韌體以及一些硬碟專用的檔案，最大為1024。
這個扇區之前所有的物理扇區包含的位元組數為8.46GB
LBA模式
將磁碟驅動器看做一個一維的邏輯塊的陣列，邏輯塊是最小的傳輸單位。
LBA與CHS的地址轉換
磁碟空間管理
- 點陣圖：用一串二進位制位反應磁碟空間中分配使用情況，每個物理塊對應1位，分配的物理塊為0，否則為1。
- 空閒表：將所有空閒塊記錄在一個表中
- 成組連結法
磁碟訪問時間
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尋道時間：啟動磁碟時間s+磁頭移動n條磁軌 所花費的時間之和
\(Ts = s+m\times n\)，m為常量
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旋轉延遲時間：透過旋轉磁碟，使磁頭定位到目標扇區所需要的時間。\(Tr = \frac{1}{2r}\)，r是轉速，平均需要轉半圈。
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傳輸時間：把資料從磁碟讀出，或向磁碟寫入資料經歷的時間。
\(Tt =\frac{b}{rN}\)，b為每次讀寫的位元組數，r為旋轉速度,N為磁軌上的位元組數。
總訪問時間\(T= Ts+Tr+Tt\)。
磁碟排程演算法
對於OS的磁碟IO驅動，可能收到IO請求的速度大於磁碟實際能夠執行的速度。
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先來先服務FCFS：按訪問請求到達的先後次序服務
- 僅應用在磁碟IO較少的場合。
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最短尋道時間優先SSTF：優先考慮距離當前磁頭最近的訪問請求。可能產生飢餓。
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掃描演算法（SCAN）電梯排程：當有訪問請求的時候，磁頭按一個方向移動，在移動過程中對遇到的訪問請求進行服務，直到磁頭步進最外（內）側磁軌，調轉掃描方向。
- 兩側磁軌被訪問頻率低於中間磁軌。
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迴圈掃描演算法（C–SCAN）：按照所要訪問的柱面位置的次序去選擇訪問者；移動臂到達最後一個柱面後，立刻帶動讀寫磁頭快速返回到0號柱面，中途不為訪問者服務。
- 可以避免SCAN演算法的問題。
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LOOK和C–LOOK，到達最遠端的一個請求即可返回。
提高磁碟IO效能
- 磁碟快取記憶體
- 並行化（RAID）
- 最佳化資料佈局
- 提前讀延遲寫
RAID廉價冗餘磁碟陣列
一種把多塊獨立的硬碟（物理硬碟）按照不同方式組合起來形成一個硬碟組（邏輯硬碟），從而提供比單個硬碟更高的儲存效能和提供資料冗餘的技術。
組成磁碟陣列的不同方式稱為RAID級別。
資料冗餘的功能是：使用者資料一旦發生損壞後，利用冗餘資訊可以使損失資料得以恢復，從而保障了使用者資料的安全性。
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RAID0：連續以位或位元組為單位分割資料，並行交叉讀寫多個磁碟，具有很高的資料傳輸率，但沒有資料冗餘。
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RAID1：映象儲存，在成對的獨立磁碟上產生互為備份的資料。當原始資料繁忙時，可以直接從映象複製中讀取資料。
讀效能好，寫效能由最差的硬碟決定；可靠性高，單位成本最高。
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RAID 0+1 &RAID 1+0：先分塊後映象&先映象後分塊。10容錯性更好。
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RAID2：海明碼奇偶校驗+條帶儲存。將資料條塊化地分佈在不同的硬碟上，條塊單位為位或位元組，使用海明碼來提供錯誤檢查及恢復。
可以實現錯誤檢查和恢復，資料傳輸率高。
海明碼長度：2r ≥𝑟+d+1，r是冗餘碼位數，d是資料位數。
要能糾正資訊字中的單個錯誤，所需要的碼距最少為3。
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RAID3：將磁碟分組，採用位元組級別的條帶，讀寫要訪問組中所有盤，每組中有一個盤作為校驗盤。