第十讲 磁盘调度算法

磁盘调度算法的模拟实现及对比磁盘调度算法是操作系统中的一个重要组成部分，用于优化磁盘读写操作的效率，提高系统的响应速度和运行效率。

常见的磁盘调度算法包括先来先服务(FCFS)算法、最短寻道时间优先(SSTF)算法、电梯(Elevator)算法等。

在进行磁盘调度算法的比较和模拟之前，我们首先需要了解磁盘读写操作的基本原理。

磁盘是由许多磁道和扇区组成的，当操作系统需要对磁盘进行读写操作时，读写头需要按照特定的路径移动到目标扇区，这个过程称为寻道。

而磁头在寻道的过程中所花费的时间称为寻道时间。

不同的磁盘调度算法的主要目标就是使得寻道时间尽可能地短，从而提高磁盘的读写操作效率。

首先，我们来实现一个先来先服务(FCFS)算法的模拟。

FCFS算法是最简单的磁盘调度算法，它按照磁盘请求的先后顺序进行处理。

具体实现如下：```pythondef fcfs(disk_queue, start):head_movement = 0curr_pos = startfor request in disk_queue:head_movement += abs(request - curr_pos)curr_pos = requestreturn head_movement```上述代码中，`disk_queue`表示磁盘请求队列，`start`表示起始磁道号。

算法首先将磁头移动到起始磁道号`start`，然后按照磁盘请求的先后顺序对队列中的请求进行处理，计算磁头的移动距离。

最后返回磁头的总移动距离。

接下来，我们实现一个最短寻道时间优先(SSTF)算法的模拟。

SSTF 算法会选择离当前磁道最近的请求进行处理，从而减少磁头的寻道时间。

具体实现如下：```pythondef sstf(disk_queue, start):head_movement = 0curr_pos = startwhile disk_queue:min_distance = float('inf')min_index = -1for i, request in enumerate(disk_queue):distance = abs(request - curr_pos)if distance < min_distance:min_distance = distancemin_index = ihead_movement += min_distancecurr_pos = disk_queue.pop(min_index)return head_movement```上述代码中，算法首先将磁头移动到起始磁道号`start`，然后不断选择离当前磁道最近的请求处理，直到所有请求处理完毕。

实验六磁盘调度算法【实验目的】通过这次实验，加深对磁盘调度算法的理解，进一步掌握先来先服务FCFS、最短寻道时间优先SSTF、SCAN和循环SCAN算法的实现方法。

【实验内容】问题描述：设计程序模拟先来先服务FCFS、最短寻道时间优先SSTF、SCAN 和循环SCAN算法的工作过程。

假设有n个磁道号所组成的磁道访问序列，给定开始磁道号m和磁头移动的方向（正向或者反向），分别利用不同的磁盘调度算法访问磁道序列，给出每一次访问的磁头移动距离，计算每种算法的平均寻道长度。

程序要求：1）利用先来先服务FCFS、最短寻道时间优先SSTF、SCAN和循环SCAN算法模拟磁道访问过程。

2）模拟四种算法的磁道访问过程，给出每个磁道访问的磁头移动距离。

3）输入：磁道个数n和磁道访问序列，开始磁道号m和磁头移动方向（对SCAN和循环SCAN算法有效），算法选择1-FCFS，2-SSTF，3-SCAN，4-循环SCAN。

4）输出：每种算法的平均寻道长度。

实现提示：用C++语言实现提示：1）程序中变量定义参考（根据需要可添加）如下：const int MaxNumber=100;int TrackOrder[MaxNumber];int MoveDistance[MaxNumber];double AverageDistance;bool direction;2）页面置换的实现过程如下：变量初始化；接收用户输入磁道个数n和磁盘访问序列，选择算法1-FCFS，2-SSTF，3-SCAN，4-循环SCAN，输入开始磁盘号m和磁头移动方向；根据用户选择的算法进行磁道访问，输出磁盘调度算法的模拟过程；计算选择每次移动的磁头移动距离和算法的平均寻道长度；输出选择算法的平均寻道长度。

实验要求：1）上机前认真复习磁盘调度算法，熟悉FCFS、SSTF、SCAN 和循环SCAN算法的过程；2）上机时独立编程、调试程序；3）根据具体实验要求，完成好实验报告（包括实验的目的、内容、要求、源程序、实例运行结果截图、发现的问题以及解决方法）。

磁盘调度算法⼀次磁盘读写操作的时间由寻找(寻道)时间、延迟时间和传输时间决定:1) 寻找时间Ts:活动头磁盘在读写信息前，将磁头移动到指定磁道所需要的时间。

这个时间除跨越n条磁道的时间外，还包括启动磁臂的时间s，即:Ts = m * n + s。

式中，m是与磁盘驱动器速度有关的常数，约为0.2ms，磁臂的启动时间约为2ms。

2)延迟时间Tr:磁头定位到某⼀磁道的扇区(块号)所需要的时间，设磁盘的旋转速度为r，则:Tr = 1 / (2 * r)。

对于硬盘，典型的旋转速度为5400r/m，相当于⼀周11.1ms，则Tr为5.55ms;对于软盘，其旋转速度在300~600r/m之间，则Tr为50~100ms。

3) 传输时间Tt:从磁盘读出或向磁盘写⼊数据所经历的时间，这个时间取决于每次所读/写的字节数b和磁盘的旋转速度:Tt = b / (r * N)。

式中，r为磁盘每秒钟的转数;N为⼀个磁道上的字节数。

在磁盘存取时间的计算中，寻道时间与磁盘调度算法相关，下⾯将会介绍分析⼏种算法，⽽延迟时间和传输时间都与磁盘旋转速度相关，且为线性相关，所以在硬件上，转速是磁盘性能的⼀个⾮常重要的参数。

总平均存取时间Ta可以表⽰为:Ta = Ts + Tr + Tt。

（1）先来先服务（FCFS）按请求者的先后次序启动磁盘驱动器，⽽不考虑它们要访问的物理位置。

FCFS算法根据进程请求访问磁盘的先后顺序进⾏调度，这是⼀种最简单的调度算法。

该算法的优点是具有公平性。

如果只有少量进程需要访问，且⼤部分请求都是访问簇聚的⽂件扇区，则有望达到较好的性能;但如果有⼤量进程竞争使⽤磁盘，那么这种算法在性能上往往接近于随机调度。

所以，实际磁盘调度中考虑⼀些更为复杂的调度算法。

1、算法思想:按访问请求到达的先后次序服务。

2、优点:简单，公平。

3、缺点:效率不⾼，相邻两次请求可能会造成最内到最外的柱⾯寻道，使磁头反复移动，增加了服务时间，对机械也不利。

前言摘要：本课程设计的目的是通过设计一个磁盘调度模拟系统，从而使磁盘调度算法更加形象化，使磁盘调度的特点更简单明了，这里主要实现磁盘调度的四种算法，分别是：1、先来先服务算法〔FCFS〕 2、最短寻道时间优先算法〔SSTF〕 3、扫描算法〔SCAN〕 4、循环扫描算法〔CSCAN〕。

启动磁盘执行输入输出操作时，要把移动臂移动到指定的柱面，再等待指定扇区的旋转到磁头位置下，然后让指定的磁头进行读写，完成信息传送；因此，执行一次输入输出所花的时间有：寻找时间——磁头在移动臂带动下移动到指定柱面所花的时间。

延迟时间——指定扇区旋转到磁头下所需的时间。

传送时间——由磁头进程读写完成信息传送的时间，寻道时间——指电脑在发出一个寻址命令，到相应目标数据被找到所需时间；其中传送信息所花的时间，是在硬件设计时固定的，而寻找时间和延迟时间是与信息在磁盘上的位置有关；然后设计出磁盘调度的设计方式，包括算法思路、步骤，以及要用到的主要数据结构、函数模块及其之间的调用关系等，并给出详细的算法设计，对编码进行了测试与分析。

最后进行个人总结与设计体会。

关键词：最短寻道时间优先算法、扫描算法、总寻道长度.目录前言 (1)2. 课程设计任务及要求 (3)2.1 设计任务 (3)2.2 设计要求 (3)3. 算法及数据结构 (3)3.1算法的总体思想〔流程〕 (3)3.2 实现过程中用到的数据结构 (4)3.3 实现过程中用到的系统调用 (9)4. 程序设计与实现 (9)4.1 最短寻道时间优先算法〔SSTF〕模块 (9)4.1.1程序流程图 (9)4.1.2 程序说明 (11)4.1.3 程序关键代码 (11)4.2扫描算法〔SCAN〕模块 (12)4.2.1 程序流程图 (12)4.2.2 程序说明 (14)4.2.3 程序关键代码 (14)4.3 实验结果 (15)5. 结论 (24)6. 参考文献 (24)7. 收获、体会和建议 (25)2. 课程设计任务及要求2.1 设计任务1.熟悉并掌握磁盘调度算法管理系统的设计方法，加强对所学各种调度算法及相应算法的特点了解。

磁盘调度算法 -电脑资料2019-01-01磁盘优点容量很大每位的价格非常低当关掉电源后存储信息不丢失物理特性磁盘表面覆盖着磁性物质，信息记录在磁表面上，。

固定头磁盘的每个磁道单独有一个磁头，这样就能使得计算机可以很快地从一个磁道转换到另一个磁道。

但是这需要大量的头，设备成本很高。

更通用的方式是每个盘面只有一个头，让它从一道移向另一道。

这种动头设备需要硬件设备移动头。

磁盘一般用于文件存储，设计原则是：成本低、容量大、速度高。

扩大存储容量：a.增加每英寸磁道数目; b. 双面记录。

存取盘块中的信息一般要有三部分时间：系统首先要把磁头移到相应的道上或柱面上，这个时间叫做寻道时间;一旦磁头到达指定磁道，必须等待所需要的扇区转到读/写头下，这个延迟时间叫做旋转延迟时间;最后，信息实际在磁盘和内存之间进行传送也要花费时间，这部分时间叫做传送时间。

一次磁盘服务的总时间就是这三者之和。

要使磁盘服务尽可能地快，操作系统要提供合适的调度算法，改善磁盘服务的平均时间。

进程需要和磁盘交换信息时必须要操作系统发出系统调用，对磁盘的请求一般要有下述几部分内容：1. 输入和输出;2. 磁盘地址（驱动器、柱面、面号、扇区）;3. 内存地址;4. 传送长度。

磁盘调度算法1、先来先服务调度（FCFS）FCFS 算法是优先为最先到达的请求服务。

例如，有如下请求磁盘服务队列，要访问的磁道数分别是：98，183，37，122，14，124，65，67排在前面的是先到达的请求，假设磁头目前停留在53磁道上，按照先来先服务的算法，接下来磁头的移动顺序依次是：53—>98—>183—>37—>122—>14—>124—>65—>67这个过程总共移动了（98-53）+（183-98）+（183-37）+（122-37）+（122-14）+（124-14）+（124-65）+（67-65）=640个磁道这种调度法产生的磁头移动服务太大，磁头频繁的大幅度移动，容易产生机械振动和误差，对使用寿命有损害。

操作系统磁盘调度算法例题讲解1. 磁盘调度算法的背景和意义磁盘调度算法是操作系统中的重要组成部分，它的主要目的是优化磁盘访问，提高磁盘I/O操作的效率。

在计算机系统中，磁盘是一个重要的存储介质，它负责存储和读写数据。

然而，由于磁盘访问具有机械运动延迟和寻道时间等特性，使得磁盘I/O操作成为计算机系统中一个性能瓶颈。

为了解决这个问题，人们提出了各种各样的磁盘调度算法。

这些算法通过优化访问顺序、减少寻道时间、提高数据传输率等方式来提高磁盘I/O操作效率。

因此，深入了解和掌握不同类型的磁盘调度算法对于优化计算机系统性能具有重要意义。

2. 先来先服务（FCFS）调度算法先来先服务（First-Come, First-Served）是最简单、最直观的一种磁盘调度算法。

它按请求顺序处理I/O请求。

当一个请求到达时，在当前位置完成当前请求后再处理下一个请求。

然而，在实际应用中，FCFS存在一些问题。

首先，它无法充分利用磁盘的带宽，因为磁盘的读写头可能在处理当前请求时，其他请求已经到达。

其次，由于磁盘请求的随机性，FCFS可能导致某些请求等待时间过长。

3. 最短寻道时间优先（SSTF）调度算法最短寻道时间优先（Shortest Seek Time First）是一种基于当前位置选择下一个最近请求的调度算法。

在SSTF算法中，选择离当前位置最近的请求进行处理。

SSTF算法相对于FCFS算法来说，在减少寻道时间方面有一定的优势。

它能够充分利用磁盘带宽，并且能够减少某些请求等待时间过长的问题。

然而，SSTF算法也存在一些问题。

首先，在某些情况下，由于选择最近的请求进行处理，可能导致某些较远位置上的请求长期等待。

其次，在高负载情况下，由于大量随机访问导致寻道距离变大，SSTF 算法可能会导致饥饿现象。

4. 扫描（SCAN）调度算法扫描（SCAN）是一种按一个方向依次处理I/O请求，并在到达边界后改变方向的调度算法。

SCAN算法从一个方向开始处理请求，直到到达磁盘的边界。

Linux操作系统磁盘调度算法分析磁盘调度算法是指操作系统中用于处理磁盘上的请求的一套算法。

在现代计算机系统中，磁盘是一种非常重要的存储设备，因此如何高效地处理磁盘请求对于提高系统性能至关重要。

Linux操作系统作为一种广泛使用的开源操作系统，也采用了多种磁盘调度算法来提高磁盘访问效率。

本文将对Linux操作系统中常用的磁盘调度算法进行详细分析。

1. 先来先服务（FCFS）调度算法先来先服务是最基本的磁盘调度算法之一。

它按照磁盘请求的提交顺序进行处理。

当一个请求被完成后，下一个请求将按照提交的顺序进行处理。

这种算法的优点是简单易实现，但并不考虑磁盘访问位置和移动时间。

由于磁盘的读写时间和移动时间往往不同，因此FCFS算法可能会导致一些请求等待时间过长，影响系统的响应速度。

2. 最短寻道时间优先（SSTF）调度算法最短寻道时间优先算法是根据当前磁头位置选择离磁头最近的下一个请求进行处理。

该算法考虑了磁头的移动距离，因此能够减少磁头的寻道时间。

但是由于该算法总是选择最近的请求处理，可能导致一些远离磁头的请求等待时间过长，造成一些请求的饥饿现象。

3. 扫描（SCAN）调度算法扫描算法是磁盘调度算法中常用的一种。

它模拟磁头在磁盘上进行的一次扫描操作，沿着一定方向进行磁道的访问。

当磁头到达磁盘的一端时，会改变方向进行下一次扫描。

该算法比较公平，能够较均匀地处理所有磁盘请求，但是由于需要扫描整个磁道，可能导致一些请求等待时间较长。

4. 循环扫描（C-SCAN）调度算法循环扫描算法是对扫描算法的一种改进。

该算法在到达磁盘的一端后不会改变方向，而是直接返回到磁道的另一端进行下一次扫描。

这意味着所有请求都会等待直到磁头回到磁道的起始位置，这样能够减少等待时间，但是也可能导致一些请求的响应时间较长。

5. 最不常用（LFU）调度算法最不常用算法是根据请求的使用频率进行处理的一种算法。

它将优先处理那些使用频率较低的请求，这样能够提高系统的整体性能。

磁盘调度的算法
磁盘调度是计算机操作系统中的一个重要功能，用于决定磁盘驱动器上的磁盘访问请求的顺序。

磁盘调度算法的目标是尽可能地减少磁盘的寻道时间和旋转延迟，以提高磁盘的访问效率。

常见的磁盘调度算法包括以下几种：
1. 先来先服务（FCFS）：磁盘访问请求按照它们的到达顺序进行处理。

这种算法简单且公平，但是可能导致磁盘的平均寻道时间较长。

2. 最短寻道时间优先（SSTF）：选择距离当前磁头位置最近的磁道作为下一个要访问的磁道。

这种算法能够减少磁头的寻道时间，但是可能会导致某些磁道被连续访问，从而降低了磁盘的整体吞吐量。

3. 扫描算法（SCAN）：磁头按照一个方向移动，处理磁盘上的请求，直到到达磁盘的边界，然后改变方向继续移动。

这种算法可以减少磁盘的平均寻道时间，并且确保所有的磁道都被访问到，但是可能导致某些磁道的访问延迟较长。

4. 循环扫描算法（C-SCAN）：类似于扫描算法，但是在到达磁盘边界后，直接返回到起始位置，而不是改变方向。

这种算法可以进一步降低磁头的寻道时间，并且在某些情况下可以提高磁盘的整体性能。

5. 最佳扫描算法（LOOK）：类似于扫描算法，但是在到达磁盘边界后，只改变方向，而不是反向移动。

这种算法可以根据实际的磁盘访问请求动态调整磁头的移动方向，以减少磁头的寻道时间。

需要注意的是，每种磁盘调度算法都有其适用的场景和优缺点，选择
合适的算法取决于具体的应用需求和性能要求。

磁盘调度算法代码磁盘调度算法是操作系统中用于优化磁盘访问性能的重要策略之一。

在计算机系统中，数据通常存储在磁盘上，当需要读或写数据时，就需要通过磁盘调度算法来确定磁盘读写的顺序，以提高系统的性能和效率。

1. 磁盘调度算法的背景在了解磁盘调度算法之前，我们先了解一下磁盘的工作原理。

磁盘由一个或多个盘片组成，每个盘片上包含若干磁道，每个磁道又被分为若干扇区。

磁头在读写数据时需要移动到目标扇区所在的磁道上，而磁头的移动会导致一定的寻道时间。

磁盘调度算法的目标就是通过合理的调度磁盘的访问请求，使得磁头的移动距离最短，从而减少磁盘的寻道时间，提高系统的读写性能。

常见的磁盘调度算法有以下几种：•先来先服务（FCFS）：按照磁盘请求的到达顺序进行调度。

•最短寻道时间优先（SSTF）：选择离当前磁头位置最近的磁道进行访问。

•扫描算法（SCAN）：磁头从一端开始扫描磁道，直到扫描到达磁头上方的最后一个磁道，然后返回起始位置继续扫描。

•循环扫描算法（C-SCAN）：类似于SCAN算法，但是磁头在扫描到磁头上方的最后一个磁道后，直接返回起始位置继续扫描。

•电梯算法（LOOK）：磁头按磁道号的递增或递减顺序移动，直到当前方向上没有更多的磁道请求时改变方向。

2. 磁盘调度算法的代码实现下面以Python语言为例，给出一个简单的磁盘调度算法的代码实现。

这里以最短寻道时间优先（SSTF）算法为例。

首先，需要定义一个函数来计算当前磁头位置到目标磁道的距离：def calculate_distance(current, target):return abs(current - target)然后，我们可以编写一个磁盘调度函数来实现SSTF算法：def sstf(disk_queue, current_head):# 存储按磁道号排序的请求队列sorted_queue = sorted(disk_queue)# 存储已访问的磁道visited = []while sorted_queue:# 存储每个请求到当前磁头的距离distances = []for track in sorted_queue:distance = calculate_distance(current_head, track)distances.append((distance, track))# 根据距离进行排序distances.sort(key=lambda x: x[0])# 获取距离最小的磁道next_track = distances[0][1]# 移动磁头到下一个磁道current_head = next_track# 将访问过的磁道添加到已访问列表中visited.append(next_track)# 从请求队列中移除已访问的磁道sorted_queue.remove(next_track)return visited最后，我们可以使用上述代码来模拟一个磁盘调度的过程：if __name__ == '__main__':disk_queue = [98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67]current_head = 53visited_tracks = sstf(disk_queue, current_head)print("磁盘访问顺序：", visited_tracks)运行上述代码，输出结果如下：磁盘访问顺序： [65, 67, 37, 14, 98, 122, 124, 183]上述代码实现了简单的SSTF算法，并模拟了一个磁盘访问的过程。

操作系统-磁盘调度算法1 一次磁盘读/写操作需要的时间寻找时间（寻道时间）T s：在读/写数据前，需要将磁头移动到指定磁道所花费的时间。

寻道时间分两步：(1) 启动磁头臂消耗的时间：s。

(2) 移动磁头消耗的时间：假设磁头匀速移动，每跨越一个磁道消耗时间为m，共跨越n条磁道。

则寻道时间T s= s + m * n。

磁头移动到指定的磁道，但是不一定正好在所需要读/写的扇区，所以需要通过磁盘旋转使磁头定位到目标扇区。

延迟时间T R：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。

设磁盘转速为r（单位：转/秒，或转/分），则平均所需延迟时间T R=(1/2)*(1/r) = 1/2r。

1/r就是转一圈所需的时间。

找到目标扇区平均需要转半圈，因此再乘以1/2。

传输时间T R：从磁盘读出或向磁盘中写入数据所经历的时间，假设磁盘转速为r，此次读/写的字节数为b，每个磁道上的字节数为N，则传输时间T R= (b/N) * (1/r) = b/(rN)。

每个磁道可存N字节数据，因此b字节数据需要b/N个磁道才能存储。

而读/写一个磁道所需的时间刚好是转一圈的时间1/r。

总的平均时间T a= T s+ 1/2r + b/(rN)，由于延迟时间和传输时间都是与磁盘转速有关的，且是线性相关。

而转速又是磁盘的固有属性，因此无法通过操作系统优化延迟时间和传输时间。

所以只能优化寻找时间。

2 磁盘调度算法2.1 先来先服务算法（FCFS）算法思想：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。

假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个进程先后陆续地请求访问55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道。

按照先来先服务算法规则，按照请求到达的顺序，磁头需要一次移动到55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道。

磁头共移动了 45 + 3 + 19 + 21 + 72 + 70 + 10 + 112 + 146 = 498个磁道。