一、实验要求

  设计程序模拟先来先服务FCFS、最短寻道时间优先SSTF、扫描算法SCAN和循环扫描算法CSCAN的工作过程。假设有n个磁道号所组成的磁道访问序列，给定开始磁道号m和磁头移动的方向(正向或者反向)，分别利用不同的磁盘调度算法访问磁道序列，给出每一次访问的磁头移动距离，计算每种算法的平均寻道长度。

二、实验原理

1. 先来先服务算法（FCFS）
  这是最简单的磁盘调度算法。它根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。此算法的优点是公平、简单，且每个进程的请求都能依次得到处理，不会出现某一进程的请求长期得不到满足的情况。但此算法由于未对寻道进行优化，在对磁盘的访问请求比较多的情况下，此算法将降低设备服务的吞吐量，致使平均寻道时间可能较长，但各进程得到服务的响应时间的变化幅度较小。

2. 最短寻道时间优先算法（SSTF）
  该算法选择这样的进程，其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近，以使每次的寻道时间最短。该算法可以得到比较好的吞吐量。当然，总是选择最小寻找时间并不能保证平均寻找时间最小，但能提供比FCFS算法更好的性能。其缺点是对用户的服务请求的响应机会不是均等的，因而导致响应时间的变化幅度很大。在服务请求很多的情况下，对内外边缘磁道的请求将会无限期的被延迟，有些请求的响应时间将不可预期。最短寻道时间优先算法思想类似于短作业优先算法，有可能引起某些请求的饥饿。

3. 扫描算法（SCAN）
  扫描算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向。例如，当磁头正在自里向外移动时，SCAN算法所考虑的下一个访问对象应是其欲访问的磁道既在当前磁道之外，又是距离最近的。这样自里向外地访问，直到再无更外的磁道需要访问才将磁臂换向为自外向里移动。这时，同样也是每次选择这样的进程来调度：即要访问的磁道在当前位置内为距离最近者，磁头又逐步地从外向里移动，直至再无更里面的磁盘要访问，从而避免了饥饿现象的出现。由于这种算法中磁头移动的规律颇似电梯的运行，因而又常称为电梯调度算法。

4. 循环扫描算法（CSCAN）
  当磁头刚从里向外移动而越过了某一磁道时恰好又有一进程请求访问此磁道，这时进程必须等待，待磁头继续从里向外，然后再从外向里扫描完处于外面的所有要访问的磁道后，才处理该进程的请求，致使该进程的请求被大大推迟，为了减少这种延迟，CSCAN算法规定磁头单向移动。例如，只自里向外移动，当磁头移到最外的被访问磁道时，磁头立即返回到最里的欲访磁道，即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行循环扫描。

5. 四种算法优缺点对比

算法	优点	缺点
先来先服务算法	公平、简单	平均寻道时间可能较长
最短寻道时间优先算法	可以得到比较好的吞吐量	不能保证平均寻道时间最短，可能出现“饥饿”现象
扫描算法	寻道性能较好，避免了饥饿现象的出现	两侧磁道被访问的频率仍低于中间磁道
循环扫描算法	消除了对两端磁道请求的不公平	只有到边上才能改变磁头移动方向

三、实验内容

  为了减少对文件的访问时间，应采用一种最佳的磁盘调度算法。使各种进程对磁盘平均访问时间最小。由于在访问磁盘的事件中主要是寻道时间，因此，磁盘调度算法的目标是使磁盘的平均寻道时间最小。常用的磁盘调度算法有以下四种：先来先服务算法（FCFS），最短寻道时间优先算法（SSTF），扫描算法（SCAN），循环扫描算法（CSCAN）。下面会首先画出整体的程序流程图，然后再针对四种不同的调度算法的流程图进行详细设计和描述。

1. 主程序流程图
  首先输入磁道序列，然后根据提示选择四种不同的调度算法，输出其中一种调度结果后还可继续选择针对该磁道序列的其它调度算法，直至退出系统。

2. 先来先服务算法（FCFS）
  先来先服务算法根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。此算法的优点是公平、简单，且每个进程的请求都能依次得到处理，不会出现某一进程的请求长期得不到满足的情况。
  其算法流程图如下图所示，首先输入当前磁道号并按顺序打印磁道序列，然后计算移动的总磁道数和平均寻道长度，并输出其计算结果。

3. 最短寻道时间优先算法（SSTF）
  该算法选择这样的进程，其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近，以使每次的寻道时间最短，但这种调度算法却不能保证平均寻道时间最短。
  其算法流程图如下图所示，首先将磁道号从小到大排列并输入当前的磁道号，然后计算移动距离直至访问完所有的磁道。最后计算平均寻道长度并输出移动的总磁道数和平均寻道长度。

4. 扫描算法（SCAN）
  扫描算法考虑的是磁头的当前移动方向，基本上克服了最短寻道时间优先算法的服务集中于中间磁道和响应时间变化比较大的缺点，不会产生饥饿现象。但是也有缺点，当磁头刚从里向外移动过某一磁道时，恰有一进程请求访问此磁道，这时该进程必须等待后才会处理其请求，致使该进程的请求被严重推迟。
  其算法流程图如下图所示，首先将磁道号从小到大排列并输入当前的磁道号，然后判断磁道移动的方向，从当前磁道位置访问磁道号大（小）的，再从起始磁道位置往磁道号小（大）的方向移动。最后计算平均寻道长度并输出移动的总磁道数和平均寻道长度。

5.循环扫描算法（CSCAN）
  为了减少SCAN算法造成的某些进程的请求被严重推迟，CSCAN算法规定磁头单向移动。例如，只自里向外移动，当磁头移到最外的被访问磁道时，磁头立即返回到最里的欲访磁道，即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行循环扫描。
  其算法流程图如下图所示，首先将磁道号从小到大排列并输入当前的磁道号，然后判断磁道移动的方向，从当前磁道位置访问磁道号大（小）的，再从磁道号最小（大）方向的往大（小）的方向移动。最后计算平均寻道长度并输出移动的总磁道数和平均寻道长度。

四、实验结果

（1）首先输入磁道数量和序列。

（2）然后根据提示选择四种不同的调度算法，选择1先来先服务算法，输入当前的磁道号可以看到先来先服务算法的调度结果、移动的总磁道数和平均寻道长度。

（3）选择2最短寻道时间优先算法，输入当前的磁道号可以看到最短寻道时间优先算法的调度结果、移动的总磁道数和平均寻道长度。

（4）选择3扫描算法，输入当前的磁道号可以看到扫描算法的调度结果、移动的总磁道数和平均寻道长度。

（5）选择4循环扫描算法，输入当前的磁道号可以看到循环扫描算法的调度结果、移动的总磁道数和平均寻道长度。

（6）测试完四种调度算法后，选择5退出系统。

五、总结

  本次实验通过模拟磁盘调度及进程排队算法来加深了对操作系统中各个磁盘调度算法概念的理解，实现各种不同调度算法的过程，并计算不同算法的平均寻道长度，以便于我们判断各种算法的优劣以及各种算法使用的场合。
  其中先来先服务算法是最简单的磁盘调度算法，它根据进程请求访问磁盘的顺序服务；最短寻道时间优先算法根据磁头的当前位置首先将请求队列中距磁头最短的请求为之服务；扫描算法也叫电梯调度算法，磁头固定从外向内然后从内向外逐柱面运动，如此往复；循环扫描算法的磁头从盘面上的一端向另一端移动，遇到请求立即服务。
  在此次实验中让我深刻理解了不同磁盘调度算法之间的差异性，加深了对磁盘设备的认识，并认识到了课程所学内容的重要性。而且这次实验也使我掌握了一些新的知识，特别是一些课本之外的内容，体会到了理论知识和实践相结合的重要性。