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磁盘驱动
想到操作系统的持久化，很多人首先想到的是文件系统，然而从硬件角度，持久化的基本是硬盘。因此，在构建文件系统之前，首先要里了解存储文件的磁盘是怎么驱动的。
硬盘的接口很简单，对于系统来说硬盘的存储空间是由一个个扇区（512 bytes）组成，每个扇区都能够读和写。这一个个扇区组成的列表就是硬盘的地址空间。 对于硬盘空间有一个知名的假设，对于连续空间的读写是速度最快的读写操作，这种假设的根据我们在后面会提到。
我们首先了解一下机械硬盘的硬件组成，硬盘中最核心的部位是盘片，盘片是一个圆形的硬表面，通过诱导磁变化将数据持久地存储在上面。一个磁盘可以有一个或多个盘片；每个盘片有两面，每一面都被称为面。这些盘片通常由一些硬材料(如铝)制成，然后涂上一层薄薄的磁性层，使驱动器即使在断电时也能持久存储比特信息。
盘片都被绑在一起围绕着主轴，主轴与一个电机相连，电机以恒定的速度旋转盘片。转速通常以转速每分钟(RPM) 来测量，典型的现代RPM值在7,200RPM到15,000RPM范围内。数据以扇区的同心圆在每个表面进行编码；我们称这样一个同心圆为轨道。一个单一的表面包含成千上万的轨道，紧密地排列在一起，数百条轨道的宽度相当于一根头发。读写过程是由磁头来完成，驱动器的每个表面都有一个这样的磁头。磁盘头附着在单个磁盘臂上，该臂在表面移动，将磁盘头定位在所需的轨道上。
现代盘片下有数百万个轨道，了解了硬盘的物理模型后，我们看一个多轨盘片下的IO请求处理流程，如果磁头想要读写某个扇区的数据，会经历变轨-旋转-传输三个过程。通常来讲其中变轨开销很大，因为磁头要抬头-旋转-再低头。但是现代硬盘，变轨和旋转两个过程的开销可以做到几乎相同。
硬盘中各个结构还有一些其它特性，首先各个轨道并不是对称的，因为磁头的转动需要时间，一些倾斜可以做到变轨也能读取连续扇区。然后是外部轨道往往比内部轨道有更多的扇区，每个分区在每个轨道上有相同数量的扇区，外部区域比内部区域有更多扇区。最后，任何现代磁盘驱动器的一个重要部分是它的缓存，通常是8或16MB，例如，当从磁盘读取一个扇区时，驱动器可能决定读取该磁道上的所有扇区，并将它们缓存到内存中，这样做可以使驱动器快速响应对同一轨道的任何后续请求。还有一些其它非性能行为，例如，当数据还在内存里面，数据读写完成的报告就已经返回给系统了，这些在这里不表。
如何理解磁盘性能呢？我们提出IO性能的概念，其计算公式如下。
我们以两种情况下的IO请求来说明现代磁盘IO性能的到底是怎样的。两种IO分别是随机工作负载，即将少量(例如，4KB)的数据读取到磁盘上的随机位置，和顺序工作负载，即连续地从磁盘读取大量扇区，而不需要跳转。我们用两款不同定位的硬盘来分别进行实验。硬盘参数和实验结果如下。
可以看出在随机和顺序工作负载之间的性能存在巨大差异，Cheetah的差异接近200倍左右，Barracuda的差异超过300倍。由此可知，尽量大块的传输数据对读写速度提升帮助巨大。
IO请求在实际运行之前需要进行调度，具体的，给定一组I/O请求，磁盘调度程序检查这些请求并决定下一步调度哪个请求。由于我们可以很简单地猜测一个磁盘请求将花费多长时间，因此，磁盘调度器在其操作中将尝试遵循SJF(最短作业优先)的原则。
第一种尝试是SSTF（Shortest Seek Time First），SSTF根据跟踪对I/O请求队列进行排序，选择最近的跟踪上的请求先完成。例如下图的模型。看起来不错，但是SSTF有两个问题，第一个是操作系统无法看到硬盘内部信息，相反，它看到的是一个块数组，所以操作系统可以简单地实现最近邻块优先(NBF)，而不是SSTF, NBF调度接下来使用最近邻块地址的请求。第二个问题是starving，如果对于当前头部的位置有一个稳定的IO请求，那么其它所有的IO请求都会被完全无视。
针对这些问题有过一些SSTF的变体，如F-SCAN，S-SCAN等，但是这些都没有完全解决SSTF的问题，相反的，它们也忽视了旋转的开销。
第二种尝试是SPTF，它会“视情况而定”来选择先处理哪个扇区的读写，这取决于寻找的相对时间和旋转的相对时间。在现代磁盘上，查找和旋转基本上是同等开销的，这取决于具体的请求，SPTF重点解决了旋转的开销问题，但是似乎没有解决starving问题，这里我们要提出IO请求的调度这个概念。
磁盘调度在哪里执行?在旧的系统中，操作系统完成所有的调度，但是由于不清楚磁盘情况，操作系统实现SPTF这样的方法比较困难，而在现代系统中，磁盘可以容纳多个未完成的请求，并且具有复杂的内部调度器（可以精确地实现SPTF）。OS调度器通常选择它认为最好的几个请求(比如16个)，并将它们全部发送到磁盘。然后，磁盘利用其内部对磁头位置的了解和详细的轨道布局信息，以尽可能好的顺序(SPTF)为上述请求提供服务。由此，解决了starving问题。
关于磁盘调度器还有一些方面可以讲，磁盘调度器执行的另一个重要相关任务是I/O合并。例如，假设有一系列读取block 33、block 8、block 34的请求，调度器应该将block 33和block 34的请求合并成一个单独的两个block请求，从而降低开销。而系统在向磁盘发出I/O之前应该等待多长时间？对预期磁盘调度的研究表明，有时最好是等一下其它请求再发给磁盘（具体的原因我也不太懂）。
