檔案系統筆記四 磁碟排程演算法

引言：在多道程式設計的計算機系統中，各個程序可能會不斷對磁碟提出讀/寫請求。有時候程序傳送請求的速度比磁碟響應的還要快，因此我們有必要為每個磁碟裝置建立乙個等待佇列，合理進行磁碟排程。本文將回顧影響磁碟讀寫時間的三個因素，並介紹幾種常見的排程演算法（fcfs、stf、ssf、 es、esla、owes）。

影響磁碟讀寫時間的主要因素有尋道時間、旋轉延遲和傳輸時間。總平均訪問時間ta可以表示為：ta = ts + tr + tt。

雖然這裡給出了平均訪問時間的公式，但是這個平均值是沒有太大實際意義的。因為在上述3個因素中，尋道時間居於支配地位，且其為軟體開發人員可控因素。為了提高磁碟的讀寫效率，需要降低磁碟的尋道時間，實現的手段則是磁碟排程。磁碟排程演算法主要有以下幾種：fcfs、stf、ssf、 es、esla、owes。

在《作業系統之哲學原理》這本書中，講尋道時間、旋轉延遲、資料傳輸這三個影響磁碟i/o操作的因素中，尋道耗費時間居於支配地位，故提高磁碟的讀寫效率，需要降低尋道時間，相關的磁碟排程演算法也是圍繞著降低尋道時間展開的。

原文如下：影響磁碟讀寫時間的因素有3個：尋道時間、旋轉延遲、資料傳輸時間。而在這三者中，前兩者為機械運動，資料傳輸主要為電子運動。顯然機械運動的速度遠低於電子執行的速度。前兩個機械運動部分，尋道時間又較長。因此，在上述3個因素中，尋道時間居於支配地位。為了提高磁碟的讀寫效率，需要降低磁碟的尋道時間，實現的手段則是磁碟排程。

但我個人認為，三者耗費時間考量只是一方面，最主要的原因是在這三個因素中，我們軟體開發人員可以控制的，只能是尋道時間。因為旋轉延遲依賴於磁碟驅動器的旋轉速度，在保證定位精度的前提下，已經達到其上限，這只能由硬體廠商去優化。同理傳輸時間依賴於旋轉的速度及磁軌容量。故軟體開發人員，能優化的部分，就在總尋道時間。

先來先服務fcfs (first come, first serve)：是一種自然公平的排程策略。先來先到，無特權使用者。fcfs演算法根據程序請求訪問磁碟的先後順序進行排程，這是一種最簡單的排程演算法，如圖1所示。

圖1、先來先服務演算法示意圖

例如:，磁碟請求佇列中的請求順序分別為55、58、39、18、90、160、150、38、184，磁頭初始位置是100磁軌，釆用fcfs演算法磁頭的運動過程如圖1所示。磁頭共移動了 (45+3+19+21+72+70+10+112+146)=498 個磁軌，平均尋找長度=498/9=55.3。

2.2、短任務優先stf

短任務優先stf（shortest task first）:就是誰的磁碟讀寫資料量少，誰就優先。由於磁碟的訪問時間主要取決於尋道和旋轉延遲，因此讀寫的資料量對整個磁碟讀寫的時間影響並不大。因此此種策略的意義不大。

2.3、短尋道優先ssf

短尋道優先ssf：（shortest seek first）則是考慮當前磁頭離誰的資料最近，誰就優先。由於尋道在磁碟訪問時間中佔得比重最大，此種策略似乎正中要害，能夠縮短磁碟訪問時間。

同樣使用圖1的例子，磁碟請求佇列中的請求順序分別為55、58、39、18、90、160、150、38、184，磁頭初始位置是100磁軌，釆用sstf演算法磁頭的訪問順序：90、58、55、39、38、18、150、160、184。運動過程如圖2所示。磁頭共移動了 (10+32+3+16+1+20+132+10+24)=248 個磁軌，平均尋找長度=248/9=27.5。

圖2、ssf排程演算法示意圖

不過ssf排程演算法縮短並不是絕對的。例如，如果當前的磁碟讀寫如圖3所示，則磁碟讀寫請求的執行呈現的是一種左右搖擺的模式。這種情況下總尋道數大幅增加，系統花在尋道上的時間迅速增加。改進的辦法就是不要左右擺動，而令其單向運動，即電梯排程策略。

圖3、ssf排程演算法左右搖擺示意圖

2.4、電梯排程es

電梯排程策略es：（elevator scheduling），又稱掃瞄演算法（scan），先滿足乙個方向上所有請求，再滿足相反方向的所有請求，迴圈往復。磁頭向每個方向運動時（由里向外和由外向裡），皆掃瞄到頭。

圖4、es排程演算法示意圖

對該策略進行仔細分析發現，其執行模式與電梯執行模式並不完全相同，而是一掃到底。而乙個方向掃瞄到頭再反轉方向也許並不是最有效。如果乙個方向上已經沒有請求了，我們可以提前掉頭。而無需掃瞄到末端。這種改進後的演算法就是提前檢視電梯法。

2.5、提前檢視電梯排程esla

提前檢視電梯排程esla（elevator scheduling with look ahead）,如果乙個方向的請求全部滿足後，立即進行反轉，無需掃瞄到底。這種演算法就是每次往某個方向移動時，必須確保該方向還有請求未被滿足。否則即刻調轉方向，這樣效率將得到提高。如圖5所示：

圖5、esla排程演算法示意圖

2.6、單向電梯排程owes

單向電梯排程owes（one way elevator scheduling）。對於提前檢視電梯法的改進，就是單向電梯排程，即只向乙個方向掃瞄。當該方向沒有剩餘請求時，則回到0道，再進行同樣的掃瞄。如果在磁碟請求與圖5同樣的情況下，使用單向電梯排程的總尋道數為：1 + 4 + 16 + 8 = 29，比提前檢視電梯法節省23個磁軌的尋道時間。

圖6、owes排程演算法示意圖

2.7、磁碟交替編號—降低旋轉時延

除減少尋找時間外，減少延遲時間也是提高磁碟傳輸效率的重要因素。可以對盤面扇區進行交替編號，對磁碟片組中的不同盤面錯位命名。假設每個盤面有8個扇區，磁碟片組共 8個盤面，則可以釆用如圖7所示的編號

圖7、磁碟交替編號示意圖

磁碟是連續自轉裝置，磁頭讀/寫乙個物理塊後，需要經過短暫的處理時間才能開始讀/ 寫下一塊。假設邏輯記錄資料連續存放在磁碟空間中，若在盤面上按扇區交替編號連續存放，則連續讀/寫多個記錄時能減少磁頭的延遲時間；同柱面不同盤面的扇區若能錯位編號，連續讀/寫相鄰兩個盤面的邏輯記錄時也能減少磁頭延遲時間。

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參考資料：

1、《作業系統之哲學原理》 鄒恒明著

2、磁碟排程演算法

檔案系統筆記三 磁碟塊

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