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磁盘调度中的SCAN算法：原理、实现与实例

2024-12-11 来源：个人技术集锦

在操作系统中，磁盘调度算法是一项非常重要的技术，主要用于决定磁头如何移动来优化磁盘访问时间。磁盘的读写操作涉及磁头在盘片上移动，因此一个高效的调度算法能够大幅度减少磁头的移动距离，从而提升磁盘的整体性能。SCAN算法（也称为"电梯算法"）是其中一种常见的磁盘调度算法。本文将详细介绍SCAN算法的工作原理、其优缺点，以及如何通过代码实现它。

一、SCAN算法的基本概念

SCAN算法的工作方式类似于电梯的运行原理。磁头从当前位置开始沿一个方向移动，直到到达请求序列的最大位置，然后反向移动，处理回程中的所有请求。这意味着磁头会像电梯一样，从一端运行到另一端，然后再返回。这种运行方式可以有效减少磁头频繁来回移动所造成的开销。

二、SCAN算法的执行过程

假设磁盘有以下参数：

  • 当前磁头的位置：50

  • 请求队列：[98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67]

SCAN算法的执行步骤如下：

最终的磁头访问顺序为：50, 65, 67, 98, 122, 124, 183, 37, 14。

三、SCAN算法的优缺点

优点：

  1. 减少饥饿现象：与最短寻道时间优先（SSTF）相比，SCAN算法大大减少了饥饿现象，因为它会在磁盘的两端往返扫描，确保所有请求都得到处理。

  2. 平衡寻道时间：相较于先来先服务（FCFS）算法，SCAN算法通过在一个方向上处理多个请求，可以有效地减少磁头的来回移动，从而降低寻道时间。

缺点：

  1. 边缘请求的延迟：SCAN算法倾向于让靠近磁盘边缘的请求等待更长时间，尤其是在磁头刚开始扫描另一个方向时，可能会忽视一些边缘的请求。

  2. 请求响应时间不均衡：由于磁头总是移动到一个方向的末端，因此某些远离当前磁头位置的请求可能要等待很久。

四、SCAN算法的代码实现

以下是用C语言实现SCAN算法的代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void scan(int arr[], int n, int head, int disk_size) {
    int distance = 0;  // 总寻道距离
    int left = 0, right = 0;
    int seek_sequence[100]; // 存放寻道顺序

    // 将请求分为两部分：小于head的和大于head的
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (arr[i] < head)
            left++;
        else
            right++;
    }

    int left_arr[left], right_arr[right];
    int j = 0, k = 0;

    // 将小于head的请求存入left_arr
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (arr[i] < head)
            left_arr[j++] = arr[i];
        else
            right_arr[k++] = arr[i];
    }

    // 对left_arr升序排序
    for (int i = 0; i < left - 1; i++) {
        for (int j = i + 1; j < left; j++) {
            if (left_arr[i] > left_arr[j]) {
                int temp = left_arr[i];
                left_arr[i] = left_arr[j];
                left_arr[j] = temp;
            }
        }
    }

    // 对right_arr升序排序
    for (int i = 0; i < right - 1; i++) {
        for (int j = i + 1; j < right; j++) {
            if (right_arr[i] > right_arr[j]) {
                int temp = right_arr[i];
                right_arr[i] = right_arr[j];
                right_arr[j] = temp;
            }
        }
    }

    int idx = 0;
    seek_sequence[idx++] = head;

    // 向右扫描
    for (int i = 0; i < right; i++) {
        distance += abs(right_arr[i] - head);
        head = right_arr[i];
        seek_sequence[idx++] = head;
    }

    // 扫描完右侧后反向扫描左侧
    for (int i = left - 1; i >= 0; i--) {
        distance += abs(left_arr[i] - head);
        head = left_arr[i];
        seek_sequence[idx++] = head;
    }

    // 输出寻道顺序
    printf("\n磁头的访问顺序是：");
    for (int i = 0; i < idx; i++) {
        printf("%d ", seek_sequence[i]);
    }
    printf("\n");

    // 输出总的寻道距离
    printf("总寻道长度：%d\n", distance);
}

int main() {
    int n, head, disk_size;

    // 输入磁盘大小
    printf("请输入磁盘的最大容量（例如200）：");
    scanf("%d", &disk_size);

    // 输入请求数量
    printf("请输入请求的数量：");
    scanf("%d", &n);

    int arr[n];

    // 输入请求队列
    printf("请输入磁盘请求队列（每个请求之间用空格分隔）：\n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        scanf("%d", &arr[i]);
    }

    // 输入当前磁头位置
    printf("请输入磁头当前位置：");
    scanf("%d", &head);

    // 调用SCAN算法进行磁盘调度
    scan(arr, n, head, disk_size);

    return 0;
}
五、总结

SCAN算法通过像电梯一样的磁头移动方式，平衡了磁盘调度的寻道时间，减少了饥饿现象。虽然SCAN算法不是所有情况下最优的选择，但它在请求相对均匀分布的情况下表现良好，可以大幅度减少磁头来回移动的次数，从而提升系统的整体性能。希望通过本文的详细介绍和代码实现，你能更好地理解SCAN算法及其在磁盘调度中的应用。
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