一、 大容量存储结构概述 (Overview of Mass Storage)
我们最常用的二级存储设备是磁盘 (Magnetic disks)，其次是磁带 (Magnetic tape)。
1. 磁盘的物理结构与寻址
寻址时间 (Positioning time / Random-access time)：这决定了磁盘有多快。它由两部分组成 ：
寻道时间 (Seek time)：将磁盘臂移动到目标柱面 (cylinder) 所需的时间。
旋转延迟 (Rotational latency)：等待目标扇区 (sector) 旋转到磁头 (head) 下方所需的时间。
物理风险：如果磁头与磁盘表面发生物理接触，就会产生磁头碰撞 (Head crash)，这是非常糟糕的致命故障 。
逻辑寻址：磁盘驱动器被视为由逻辑块 (Logical blocks) 组成的一维大数组（逻辑块是最小传输单位）。这个一维数组按顺序映射到磁盘的扇区上。
扇区 0 (Sector 0)：是最外层柱面的第一个磁道上的第一个扇区 。
映射顺序：先遍历当前磁道，再遍历当前柱面的其他磁道，最后从最外层柱面向最内层柱面推进 。
2. 磁带 (Magnetic tape)
特点：早期的二级存储，容量大且相对永久，但访问时间很慢 。
性能：磁带的随机访问速度大约比磁盘慢 1000 倍 。一旦磁头定位到位，传输速率可与磁盘媲美 。
用途：主要用于数据备份、极少使用的数据归档，以及系统间的数据传输 。
二、 磁盘的连接方式 (Disk Attachment)
存储设备如何连上计算机？主要有三种架构：
主机直连 (Host-attached)：通过 I/O 总线（如 SCSI、FC 等）直接相连。FC（光纤通道）是一种高速串行架构，是构建 SAN 的基础 。
网络附加存储 (NAS, Network-Attached Storage)：
存储设备通过局域网/广域网（LAN/WAN）提供服务，而不是本地总线。
常用协议：NFS 和 CIFS。通过主机和存储设备之间的 RPCs（远程过程调用）实现。iSCSI 协议甚至能用 IP 网络来承载 SCSI 指令 。
存储区域网络 (SAN, Storage Area Network)：
- 大型存储环境中的标配。允许多个主机连接到多个存储阵列，极其灵活 。
三、 磁盘调度算法 (Disk Scheduling) 🌟【本章绝对核心考点】
操作系统的目标是高效使用硬件——对于磁盘而言，就是要最小化寻道时间 (Seek time)。因为寻道时间与寻道距离成正比，所以我们本质上是在规划磁头的“行驶路线” 。
假设磁头当前在位置 53，请求队列为：98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
1. FCFS (先到先服务)
逻辑：谁先来就先服务谁。
特点：最公平，但磁头可能会像无头苍蝇一样在磁盘两端来回狂奔，效率极低（总移动距离极长） 。
2. SSTF (最短寻道时间优先, Shortest Seek Time First)
逻辑：每次都选择距离当前磁头位置最近的请求。
特点：它是 SJF（最短作业优先）在磁盘调度的翻版。优点是效率高；缺点是可能导致边缘请求饥饿 (Starvation)（如果不断有靠近当前位置的新请求，远处的请求永远得不到服务） 。
3. SCAN (电梯算法)
- 逻辑：磁头从磁盘的一端向另一端移动，沿途处理所有请求。到达另一端后，改变方向继续处理。就像现实中的电梯一样 。
4. C-SCAN (循环 SCAN)
逻辑：为了提供更均匀的等待时间，磁头依然从一端扫到另一端，但一旦到达另一端，它会立即空车返回起点，返程途中不处理任何请求 。
特点：将柱面视为一个循环列表 (circular list) 。
5. C-LOOK (循环 LOOK)
- 逻辑：是 C-SCAN 的优化版。磁头不会死板地非要走到磁盘的最绝对边缘。它在每个方向上只走到最远的一个请求位置，然后就立即掉头 。
💡 如何选择调度算法？
SSTF 是最通用且自然的选择，常作默认算法 。
SCAN / C-SCAN 在磁盘负载很重的系统中表现更好 。
磁盘调度算法应该被写成操作系统的一个独立模块，以便随时替换 。
四、 磁盘管理与交换空间 (Disk & Swap Management)
1. 磁盘初始化与管理
低级格式化 (Low-level/Physical formatting)：将磁盘在物理层面划分为控制器可以读写的扇区 。
逻辑格式化 (Logical formatting)：俗称“创建文件系统”，将磁盘分区，并写入操作系统的核心数据结构 。
引导块 (Boot block)：用于初始化系统。自举程序 (Bootstrap loader) 存储在 ROM 中 。
坏块处理：使用诸如扇区备用 (sector sparing) 之类的方法来处理坏块 。
2. 交换空间管理 (Swap-Space Management)
作用：虚拟内存使用磁盘空间作为主存（内存）的扩展 。
位置：交换空间可以划分在常规文件系统中，但更常见的做法是把它放在一个单独的磁盘分区里（这样速度更快） 。
分配时机：不同系统策略不同。4.3BSD 在进程启动时分配；Solaris 2 只有在页面真正被挤出物理内存时才分配交换空间 。
五、 RAID 结构 (RAID Structure)
RAID（独立磁盘冗余阵列）：通过使用多块磁盘并引入冗余 (redundancy) 来提高系统的可靠性和性能 。
核心技术：
条带化 (Disk striping)：将多个磁盘作为一个存储单元来使用，提升读写并行速度 。
镜像/阴影 (Mirroring / Shadowing)：为每个磁盘保留一个完全相同的副本，可靠性最高但成本最大 。
交错奇偶校验 (Block interleaved parity)：通过计算校验数据来实现冗余，使用的空间比镜像少得多 。
常见级别（课件中列出了 6 个基础级别及组合） ：
RAID 0：仅条带化，无冗余（速度极快，但坏一块盘数据全毁）。
RAID 1：纯镜像（最安全，但空间利用率仅50%）。
RAID 5：块交错分布式奇偶校验（兼顾速度与安全，企业最常用）。
RAID 0+1 / 1+0：结合了条带化和镜像的混合方案 。
六、 三级存储与性能考量 (Tertiary Storage & Performance)
1. 三级存储设备 (Tertiary Storage Devices)
其决定性特征就是低成本，通常使用可移动介质 (removable media) 。
可移动磁盘：如软盘、磁光盘。磁光盘（用激光加热辅助写入，抗碰撞能力强） 。
WORM 磁盘：即“一次写入，多次读取”。用激光在铝膜上烧孔，数据极度耐用可靠，无法被修改（适用于光盘、DVD等） 。
磁带库：通常配合机器手臂 (robotic tape changers) 使用，组成海量归档库 。注意：磁带是“仅追加 (append-only)”设备，在磁带中间更新一个块会擦除该块之后的所有内容 。
2. 操作系统支持：HSM (分层存储管理)
将存储层次结构扩展到了三级存储（磁带自动点唱机等） 。
运行逻辑：小且常用的文件留在磁盘上；大、旧、不活跃的文件被自动归档到磁带库中 。
3. 性能与成本权衡 (Performance Issues)
速度：衡量指标是带宽 (Bandwidth) 和 延迟 (Latency)。有效带宽 (Effective bandwidth) 要综合考虑 I/O 时间、寻道时间和介质切换时间 。
可靠性：固定磁盘 > 可移动磁盘；光学介质 > 磁性介质。磁盘磁头碰撞会毁掉数据，而磁带机故障通常不会伤害磁带本身 。
成本：只有当介质（如磁带盒）的数量远远多于驱动器数量时，三级存储才能真正节省成本（因为驱动器贵，介质便宜） 。
🚀 时代拓展：固态硬盘 vs 普通硬盘 (SSD vs HDD)
随着技术进步，固态硬盘成为了主流：
SSD (固态硬盘)：由控制单元和固态存储单元（DRAM 或 FLASH 芯片）组成 。
性能碾压：SSD 没有机械磁头，因此随机读取极快，读延迟极小（直接消灭了寻道时间和旋转延迟） 。
缺点：价格相对传统机械硬盘更贵 。
复习提示：本章考试的“重灾区”是磁盘调度算法（给一个请求队列让你画路线算总距离） 以及 RAID 级别的特性对比。
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