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磁盘存储系统的全面解析与性能优化

1. 磁盘存储设备概述

磁盘驱动器是大多数计算机上主要的大容量存储 I/O 设备。常见的大容量存储设备主要是磁盘和磁带。现代磁盘驱动器被构建为大型的一维逻辑磁盘块数组，通常每个逻辑块大小为 512 字节。磁盘连接到计算机系统的方式主要有两种：
- 通过主机计算机的本地 I/O 端口连接。
- 通过网络连接。

磁盘 I/O 请求由文件系统和虚拟内存系统生成，每个请求以逻辑块号的形式指定磁盘上要访问的地址。磁盘调度算法可以有效提升有效带宽、平均响应时间和响应时间的稳定性。常见的磁盘调度算法包括 SSTF、SCAN、C - SCAN、LOOK 和 C - LOOK，它们通过优化磁盘队列顺序来实现性能提升。

2. 磁盘性能问题及解决策略

外部碎片会损害磁盘性能。部分系统具备扫描文件系统以识别碎片化文件的工具，通过移动磁盘块来减少碎片。对严重碎片化的文件系统进行碎片整理能显著提高性能，但在整理过程中系统性能可能会下降。像 UNIX Fast File System 这类先进的文件系统，在空间分配时采用多种策略控制碎片，从而避免磁盘重组。

操作系统对磁盘块的管理流程如下：
1. 对磁盘进行低级格式化，在原始硬件上创建扇区（新磁盘通常已预先格式化）。
2. 对磁盘进行分区，创建文件系统，并分配引导块来存储系统的引导程序。
3. 当磁盘块损坏时，系统需要锁定该块或用备用块逻辑替换它。

3. 交换空间与 RAID 技术

高效的交换空间是提升系统性能的关键。系统通常绕过文件系统，采用原始磁盘访问进行分页 I/O。不同系统对交换空间的处理方式不同：