磁盘

磁盘管理

磁盘初始化

一个新的磁盘只是一个磁性记录材料的空白盘。在磁盘可以存储数据之前，必须对其进行 物理格式化（也叫做低级格式化）。

物理格式化是指在磁盘的物理表面上创建磁道（track）、扇区（sector）、写入控制信息 以及 测试和标记坏扇区等过程。通过这一过程，磁盘被划分为可供读写头访问的物理存储单元，为数据存储和检索提供基础结构。

一般来说，现代硬盘在出厂时已完成物理格式化，并优化了磁道和扇区的布局。用户通常只需进行逻辑格式化即可使用。

分区

在使用磁盘存储文件之前，操作系统首先需要对磁盘进行分区，并且将每个分区的起始扇区和大小都记录在磁盘 主引导记录 （MBR，Master Boot Record）的分区表中。这一过程为磁盘划分出若干逻辑存储区域，每个分区可以独立格式化并使用不同的文件系统，为数据的组织和管理提供了基础。

分区表是存储在磁盘主引导记录（MBR）或 GUID 分区表（GPT）中的关键数据结构，用于描述磁盘的分区布局（简单了解即可）：

• 在 MBR 结构中，分区表位于磁盘的第一个扇区（主引导记录），最多支持 4 个主分区或 3 个主分区加 1 个扩展分区，每个分区记录包含起始扇区、结束扇区、分区类型和大小等信息。
• GPT 结构使用更现代的设计，支持更多的分区（通常 128 个），并存储在磁盘的前几个扇区，提供更高的可靠性和大容量磁盘支持。分区表的存在使操作系统能够准确识别和访问各个分区，确保数据存储的有序性和兼容性。

下图是一个 MBR 分区表的结构：

完成分区后，需对每个分区进行 逻辑格式化 （也称高级格式化）。逻辑格式化负责创建文件系统结构，使操作系统能够识别、组织和管理磁盘上的数据，主要包括生成文件系统的元数据、分配表和目录结构等。

引导流程

在计算机启动时，初始化硬件并加载操作系统的过程依赖于一系列引导程序。前文提到，磁盘存储文件前需分区，分区信息记录在主引导记录（MBR）的分区表中。启动流程具体如下：

1. ROM：计算机加电后，ROM 中的固件（传统 BIOS 或现代 UEFI）首先运行。它初始化硬件，并寻找可启动设备（通常是磁盘）。ROM 中的小型自举代码指示磁盘控制器读取磁盘的第 0 号扇区（即 MBR）到内存。
2. MBR 中的 Bootloader：MBR（主引导记录）位于磁盘的第一个扇区，包含引导代码、分区表和引导签名。MBR 的引导代码（即 Bootloader）被 ROM 加载并执行，它的任务是解析分区表，找到标有“活动分区”的引导分区，并加载该分区的第一个扇区。
3. 分区的启动扇区（Boot Sector）：活动分区的第一个扇区称为引导扇区（Boot Sector），包含特定于操作系统的引导代码（例如 Windows 的 NT Loader 或 Linux 的 GRUB 部分代码）。MBR 的 Bootloader 将控制权移交到引导扇区，引导扇区代码进一步加载操作系统内核和其他必要组件（如设备驱动程序），最终启动操作系统。
4. 操作系统初始化程序：在分区的启动扇区中的引导代码执行结束后，控制权被转交给操作系统的初始化程序，该程序负责加载操作系统内核、加载设备驱动、初始化内存和硬件环境，然后将控制权传递给内核。

因此，启动流程可以概括为：ROM 中的固件 → MBR 中的 Bootloader → 分区启动扇区中的引导程序 → 操作系统的初始化程序，每一阶段都将控制权传递给下一阶段，直至操作系统完全运行。

坏块

随着时间的推移，物理磁盘上可能会出现无法读写的区域，这些区域被称为坏块。坏块可以是出厂时就存在的，也可以是由于磁盘的长期使用和磨损导致的。

对坏块的处理实质上就是使用某种机制使系统不去使用坏块。

机械硬盘调度算法

在 磁盘性能指标 我们知道 磁盘数据读取时间 包含寻道时间、旋转延迟以及传输时间。在一个时刻，磁盘可能有多个数据读写请求，这些数据可能分布在不同的磁道上，如何分配处理这些读写请求的顺序，也很大程度上影响了磁盘的性能。

磁盘寻道调度算法包含以下几种：

FCFS

FCFS 即 First Come First Service，先来先服务算法。

FCFS 是一种最简单的磁盘调度算法，按照请求到达的先后顺序依次处理磁盘访问任务。

假设在当前时刻，磁道 55、58、39、18、90、160、150、38、184 分别先后到达，那么 FCFS 会有如下图所示的访问顺序：

然而，由于不考虑磁头当前位置与请求位置的距离，磁头可能频繁长距离移动，导致平均寻道时间较长，尤其在请求分布不均时效率低下。

SSTF

SSTF 即 Shortest Seek Time First，最短寻道时间优先算法。

磁盘进行调度时每次都选择 距离当前磁头位置最近的请求 进行服务。 旨在最小化磁头的移动距离，从而降低平均寻道时间。它的核心思想是“贪心”，每次选择最优的下一步。

假设在当前时刻，磁道 55、58、39、18、90、160、150、38、184 正在等待服务，那么 SSTF 会有如下图所示的访问顺序：

虽然 SSTF 在减少寻道时间上表现优异，但可能导致“饥饿”问题，即远离磁头的请求长时间得不到服务。SSTF 适用于请求分布较均匀的场景，但在请求密集或分布极不均的情况下可能不够公平。

SCAN

SCAN 即 电梯调度算法。

磁头从一个方向开始移动，直到该方向上没有更多的请求或达到边界，然后磁头改变方向并继续服务请求。因为磁头移动规律与电梯运行类似，所以这种算法也称为电梯调度算法。

假设在当前时刻，磁道 55、58、39、18、90、160、150、38、184 正在等待服务，磁头正在向内移动（向更高编号的磁道移动），那么 SCAN 会有如下图所示的访问顺序：

SCAN 的优点是有效减少了磁头移动距离，同时避免了 SSTF 的饥饿问题，因为所有请求最终都会被处理。它在高负载场景下表现良好，但对于靠近磁盘边界或反向区域的请求可能等待时间稍长。 SCAN 广泛应用于需要平衡效率与公平性的场景。

C-SCAN

C-SCAN 即 Cycle Scan，循环扫描算法。

和 SCAN 相似，但进行了一些改进。在 C-SCAN 中，磁头始终沿一个方向移动（例如向外），处理沿途请求，到达磁盘边界后立即返回到另一端（例如最内侧）开始新一轮扫描，而不处理返回路径上的请求。

C-SCAN 的优点是提供更均匀的等待时间，尤其对靠近磁盘两端的请求更公平，因为它避免了 SCAN 中反向移动时的偏向性。它的寻道效率略低于 SCAN，但适用于需要更高公平性和稳定性的场景，如实时系统。

对比