操作系统中的 I/O 调度

I/O (Input/Output) 可以简单理解为计算机与外界交互的过程。在操作系统中，I/O 调度就是管理和调度计算机中各种 I/O 设备的工作，包括硬盘、CD/DVD-ROM、键盘、鼠标等等。I/O 调度的目的是优化系统性能，提高设备的利用率，同时保证各个应用程序之间的公平竞争。

I/O 调度算法

常见的 I/O 调度算法有以下几种：

• 先来先服务 (FCFS)：按请求顺序简单处理 I/O 请求，不考虑请求的重要性和时间限制。

• 最短寻道时间优先 (SSTF)：按照离当前位置最近的请求处理，可以减少寻道时间，提高性能。

• 扫描算法 (SCAN)：先向一个方向处理所有请求，然后返回，处理另一侧的请求。

• 循环扫描算法（C-SCAN）：类似 SCAN 算法，但是在两端点时，立即返回到另一端。

• 电梯算法（LOOK）：类似 C-SCAN 但是当到达最上/下层时，并不立刻返回，而是查看是否有未处理的请求。

I/O 调度器的作用

I/O 调度器的主要作用是优化 I/O 设备的利用率和快速响应应用程序的请求。它可以根据 I/O 请求的特点和实时性要求，对 I/O 调度算法进行选择，并为每个请求分配合适的时间片和设备资源。I/O 调度器的主要工作流程包括以下几个方面：

1. 接收应用程序的 I/O 请求。

2. 进行优先级调度并按分配 I/O 资源的策略分配 I/O 资源。

3. 进行并发管理和状态管理，以保证各个应用程序之间的公平竞争，避免死锁和饥饿现象。

4. 监控 I/O 设备工作状态，根据实时性要求对 I/O 调度算法进行调整。

I/O 调度器的应用

I/O 调度器在现代计算机系统中得到了广泛的应用。在 Linux 操作系统中，具有 I/O 调度策略的调度程序是独立的，可以根据需要对其进行调整。在实时操作系统中，I/O 调度器特别重要，需要进行实时性保障，以确保及时响应应用程序的请求，并减少系统延迟。

Markdown 代码片段

// 假设有两个 I/O 设备，定义 Request 和 Device 两个类
class Request {
public:
    int priority;
    int arrival_time;
    int processing_time;
};

class Device {
public:
    queue<Request> request_queue;
    bool is_busy;
};

// 定义 FCFS 算法
void FCFS(Device& device, Request request) {
    device.request_queue.push(request);
    if (!device.is_busy) {
        while (!device.request_queue.empty()) {
            // 处理队列中第一个请求
            Request r = device.request_queue.front();
            device.request_queue.pop();
            device.is_busy = true;
            process_request(r);
            device.is_busy = false;
        }
    }
}

// 定义 SSTF 算法
void SSTF(Device& device, Request request) {
    device.request_queue.push(request);
    if (!device.is_busy) {
        vector<int> distances;
        while (!device.request_queue.empty()) {
            // 计算队列中所有请求到当前位置的距离
            for (int i = 0; i < device.request_queue.size(); i++) {
                distances.push_back(abs(device.current_position - device.request_queue[i].position));
            }
            // 找到距离最短的请求处理
            int min_index = min_element(distances.begin(), distances.end()) - distances.begin();
            Request r = device.request_queue[min_index];
            device.request_queue.erase(device.request_queue.begin() + min_index);
            device.is_busy = true;
            process_request(r);
            device.is_busy = false;
        }
    }
}

// 定义 SCAN 算法
void SCAN(Device& device, Request request) {
    device.request_queue.push(request);
    if (!device.is_busy) {
        // 从当前位置开始先往正方向处理所有请求
        sort(device.request_queue.begin(), device.request_queue.end(), [](Request& r1, Request& r2) {
            return r1.position < r2.position;
        });
        for (int i = 0; i < device.request_queue.size(); i++) {
            if (device.request_queue[i].position >= device.current_position) {
                process_request(device.request_queue[i]);
            }
        }
        // 然后往反方向处理剩下的请求
        sort(device.request_queue.begin(), device.request_queue.end(), [](Request& r1, Request& r2) {
            return r1.position > r2.position;
        });
        for (int i = 0; i < device.request_queue.size(); i++) {
            if (device.request_queue[i].position < device.current_position) {
                process_request(device.request_queue[i]);
            }
        }
    }
}