前言
本文介绍磁盘驱动器（hard disk drive，HDD）的工作原理、结构、性能分析以及操作系统如何通过磁盘调度来优化性能
磁盘接口与基本几何结构
基本接口与存储单元：现代磁盘驱动器的基本接口简单，将其视为由大量扇区（512 字节块）组成的地址空间，扇区从 0 到 n−1 编号。
原子性：驱动器制造商唯一保证的是单个 512 字节的写入是原子的，但较大的写入可能会因掉电而导致不完整写入（torn write）。
性能假设：磁盘客户端通常假设访问彼此靠近的块比访问相隔很远的块更快，并且访问连续块（顺序读取或写入）是最快的访问模式。
磁盘物理组件：
- 盘片（platter）：圆形坚硬表面，通过磁性变化持久存储数据。
- 主轴（spindle）：连接盘片和电机，使盘片以恒定的 RPM（每分钟转数） 旋转，例如 7200～15000 RPM。
- 磁道（track）：数据在每个表面上以同心圆的形式编码。
- 磁头（disk head）：用于读写操作，连接到**磁盘臂（disk arm）**上，用于将磁头定位在期望的磁道上。
结构优化：
- 磁道偏斜（track skew）：用于确保在跨越磁道边界时，顺序读取仍能方便地服务，避免完整的旋转延迟。
- 多区域（multi-zoned）：外圈磁道通常比内圈磁道拥有更多扇区，磁盘被组织成区域，每个区域内的磁道具有相同的扇区数量。
- 缓存/磁道缓冲区（cache/track buffer）：驱动器内部用于保存数据的少量内存（通常 8MB 或 16MB）。缓存写入策略包括后写（write back）（立即报告完成，速度更快但有风险）和直写（write through）（写入磁盘后才报告完成）。
I/O时间与性能分析
I/O 时间组成：磁盘 I/O 时间由三个主要部分组成：TI/O=T寻道+T旋转+T传输。
寻道时间（Seek Time）：将磁盘臂移动到正确的磁道所需的时间，是最昂贵的磁盘操作之一。寻道涉及加速、惯性滑动、减速和停放时间。
旋转延迟（Rotational Delay）：等待期望的扇区旋转到磁头下所需的时间，是 I/O 服务时间的重要组成部分。平均旋转延迟大约为单次旋转所需时间的一半。
传输时间（Transfer Time）：数据从表面读取或写入表面的时间。
I/O 速率：RI/O=TI/O传输大小。
工作负载性能对比：
- 随机工作负载（小块随机访问，如 4KB）的性能非常低，主要受寻道和旋转延迟的限制
- 顺序工作负载（连续读取大量扇区）的 I/O 速率接近峰值传输速率
- 随机和顺序工作负载之间的性能差距巨大，可能高达数百倍（例如 Cheetah 上约 200 倍，Barracuda 上约 300 倍）。因此，设计提示是尽可能以顺序或大块方式传输数据。
磁盘调度策略
调度目标：操作系统通过磁盘调度程序来决定 I/O 请求的顺序，目标是遵循 SJF（最短任务优先） 的原则，通过估计寻道和旋转延迟，优先服务花费最少时间的请求。
SSTF（最短寻道时间优先，Shortest-Seek-Time-First）：按磁道对 I/O 请求队列排序，选择在最近磁道上的请求先完成，SSTF 的主要问题是可能导致饥饿（starvation），即稳定对当前磁道的请求会完全忽略对其他磁道的请求。
电梯算法（Elevator Algorithm，SCAN/C-SCAN）：通过以跨越磁道的顺序服务请求来避免饥饿,。**C-SCAN（循环 SCAN）**是一种常见变体。
SPTF（最短定位时间优先，Shortest Positioning Time First）/ SATF（最短接入时间优先）：这是一种更优化的算法，它同时考虑寻道时间和旋转延迟，更接近真正的 SJF。由于现代驱动器中寻道和旋转时间大致相当，SPTF 提高了性能。但SPTF 通常在驱动器内部执行，因为操作系统难以准确知道磁头当前的旋转位置和磁道布局。