第九章 磁盘存储器管理
一、核心概念
磁盘存储器是现代计算机系统的核心外部存储设备，其管理效率直接影响到系统的整体性能和可靠性。操作系统通过磁盘存储器管理，实现了对海量数据的持久化存储与高效访问。
1.1 磁盘结构
典型的磁盘由多个盘片组成，每个盘片有两个磁面，每个磁面划分为多个同心圆的磁道，磁道又进一步划分为扇区。数据读写的基本单位是扇区（通常为512字节或4KB）。磁盘访问时间主要包括：寻道时间（磁头移动到目标磁道）、旋转延迟（目标扇区旋转到磁头下）和传输时间。
1.2 磁盘调度算法
为减少寻道时间，提高磁盘I/O效率，操作系统采用多种磁盘调度算法：
- 先来先服务(FCFS)：按请求顺序处理，公平但效率低。
- 最短寻道时间优先(SSTF)：选择离当前磁头位置最近的请求，可能导致饥饿现象。
- 扫描算法(SCAN，电梯算法)：磁头单向移动，处理途中的请求，到达一端后反向。
- 循环扫描算法(C-SCAN)：单向提供服务，返回时快速移动不处理请求，提供更均匀的等待时间。
- LOOK与C-LOOK算法：SCAN与C-SCAN的改进版，只需移动到最远的请求位置即折返，而非磁盘端点。
二、磁盘格式化与管理
2.1 低级与高级格式化
- 低级格式化：在物理层面划分磁道和扇区，设置扇区标识信息。通常由制造商完成。
- 高级格式化：在分区上创建文件系统，包括建立引导块、空闲空间管理结构（如位图）、根目录等。由操作系统完成。
2.2 磁盘分区与引导
磁盘可划分为多个分区，每个分区可安装不同的操作系统或存储不同类型的数据。主引导记录(MBR)或GUID分区表(GPT)存储分区信息。系统启动时，BIOS/UEFI读取引导扇区，加载操作系统的引导程序。
三、提高磁盘性能与可靠性的技术
3.1 磁盘缓存与缓冲
操作系统在内存中开辟磁盘缓存（页缓存/缓冲区缓存），暂存频繁访问的磁盘数据，减少实际I/O操作。写操作也常通过缓存延迟写入（写回策略），提升响应速度，但需注意数据一致性与断电保护。
3.2 独立磁盘冗余阵列(RAID)
通过将多个物理磁盘组合成一个逻辑单元，实现性能提升和/或数据冗余：
- RAID 0（条带化）：数据分块并行写入多个磁盘，提高吞吐量，无冗余。
- RAID 1（镜像）：数据同时写入两个磁盘，提供完全冗余，读性能提升。
- RAID 5（带分布式奇偶校验的条带化）：数据与奇偶校验信息分布在所有磁盘上，兼顾性能、容量与冗余，允许一块磁盘故障。
- RAID 10（先镜像再条带化）：RAID 1与RAID 0的结合，高性能高可靠，但成本较高。
3.3 稳定存储与数据一致性
为确保关键数据（如元数据）不因系统崩溃而损坏，需采用稳定存储技术，如写前日志（预写式日志，WAL）。文件系统（如ext4、NTFS）或数据库系统常利用日志记录即将进行的修改，先写日志再写实际数据，崩溃后可根据日志恢复一致性状态。
四、磁盘空间管理
操作系统需高效管理磁盘的存储空间：
- 连续分配：文件占据连续的磁盘块，访问快但易产生外部碎片。
- 链接分配：文件数据块通过指针链接，无外部碎片，但随机访问效率低。
- 索引分配：为每个文件建立索引块，存放所有数据块指针，支持直接访问。UNIX的inode是经典实现。
- 空闲空间管理：常用位图（bitmap）或链表记录空闲磁盘块。位图更节省空间且便于查找连续空闲块。
五、与计算机系统服务的关联
磁盘存储器管理并非孤立模块，它与操作系统的其他核心服务紧密协同，构成了完整的存储栈：
- 与内存管理协同：通过虚拟内存和页面置换，磁盘作为内存的扩展（交换空间）。当物理内存不足时，不常用的页面被换出到磁盘的交换分区/文件；需要时再换入。
- 与文件系统协同：文件系统是磁盘管理的高级抽象。磁盘调度、空间分配策略由文件系统驱动，最终转化为对具体磁盘块的读写请求。文件系统缓存（页缓存）直接依赖于磁盘缓存机制。
- 与I/O系统协同：磁盘作为块设备，其读写请求通过I/O子系统（包括设备驱动程序、中断处理）提交和执行。I/O调度器可能对请求进行合并和重排序，进一步优化性能。
- 与系统启动和恢复服务：磁盘上的引导扇区、操作系统内核映像、初始化内存磁盘（initrd）是系统启动的基础。日志和RAID等技术为系统崩溃后的数据恢复提供了保障。
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第九章“磁盘存储器管理”深入阐述了操作系统如何高效、可靠地管理这一关键硬件资源。从底层的物理结构、访问调度，到高级的RAID、缓存和空间分配策略，构成了一个多层次的优化体系。理解这些机制，对于分析系统I/O瓶颈、设计高性能存储方案、保障数据安全至关重要。它作为“计算机系统服务”的核心组成部分，与内存、文件、I/O管理等模块无缝集成，共同支撑着上层所有应用程序的数据持久化需求。
