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存储系统

存储系统负责管理跨各种物理介质的非易失性数据存储。

机械硬盘 (HDD) 结构​

传统的 HDD 由一个或多个具有磁性表面的旋转盘片组成。

  • 磁道 (Track)：盘片上的同心圆。
  • 扇区 (Sector)：磁道的一个小部分（通常为 512 字节或 4 KB）。
  • 柱面 (Cylinder)：在相同磁臂位置下，跨多个盘片的一组磁道。
  • 寻道时间 (Seek Time)：将磁臂移动到正确磁道所需的时间。
  • 旋转延迟 (Rotational Latency)：目标扇区旋转到磁头下方所需的时间。

固态硬盘 (SSD)​

SSD 使用 NAND 闪存，没有移动部件。它们速度快得多，但具有独特的特性：

  • 页与块 (Pages and Blocks)：数据以页为单位（如 8-16 KB）进行读写，但必须以块为单位（如 128-256 页）进行擦除。
  • FTL (闪存转换层)：逻辑块地址 (LBA) 与物理闪存位置之间的映射。它负责磨损均衡 (Wear Leveling)（分散写入以避免过早失效）和垃圾回收 (Garbage Collection)。

RAID (独立磁盘冗余阵列)​

RAID 将多个物理磁盘组合成一个逻辑单元，以提高性能和/或可靠性。

  • RAID 0 (条带化/Striping)：将数据分散在多个磁盘上。速度快，但没有冗余（如果一个磁盘损坏，所有数据都会丢失）。
  • RAID 1 (镜像/Mirroring)：在多个磁盘上复制数据。高可靠性，但容量减半。
  • RAID 5 (奇偶校验/Parity)：在至少三个磁盘上对数据和奇偶校验位进行条带化。提供冗余且性能良好。
  • RAID 6 (双重奇偶校验/Double Parity)：可以承受两个磁盘同时损坏。
  • RAID 10 (1+0)：镜像磁盘的条带化。结合了高性能和高可靠性。

磁盘调度算法​

内核必须决定满足待处理磁盘 I/O 请求的顺序，以最小化寻道时间。

SCAN (电梯算法/Elevator Algorithm)​

磁臂从一端开始向另一端移动，沿途满足请求，然后反向移动。

  • 优点：比 FCFS 更公平；减少饥饿现象。

C-SCAN (循环扫描/Circular SCAN)​

类似于 SCAN，但当移动到末端时，它立即返回到起点，在返回过程中不满足任何请求。

  • 优点：提供更均匀的等待时间。