第八章 磁盘存储器的管理
8.1 外存的组织方式
1.外存的组织方式：
- 连续分配
- 链接分配（不连续）
- 索引分配
通常一个系统中仅采用一种方式。
2.连续分配
- 为每一个文件分配一组相邻的盘块。
- 逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序一致。
- 优点：顺序访问容易，读写速度快
- 缺点：
①会产生外存碎片。可紧凑法弥补，但需要额外的空间，和内存紧凑相比更花时间。
②创建文件时要给出文件大小；存储空间利用率不高，不利于文件的动态增加和修改； - 适用于变化不大顺序访问的文件，在流行的UNIX系统中仍保留了连续文件结构。如对换区。
3.链接分配
- 可以为每一个文件分配一组不相邻的盘块。
- 设置链接指针，将同属于一个文件的多个离散盘块链接成一个链表，这样形成的文件称为链接文件。会有链接成本。
- 优点：
①离散分配，消除外部碎片，提高利用率；
②同时适用于文件的动态增长；修改容易。
4.链接两种形式：隐式链接、显式链接
- 隐式链接
- 文件空间信息的目录项中没有链接数据；
- 链接信息隐含记录在盘块数据中；
- 每个盘块拿出若干字节，记录指向下一盘块号的指针。
- 问题：只能顺着盘块读取，可靠性低
- 显式链接
- 属于一个文件的盘块通过链接成为一体，每个链条的首地址作为文件地址记录在相应文件的FCB的“物理地址”字段中。
- 记录盘块链接的指针显示地记录为一张链接表
- 所有已分配的盘块号都记录在其中，称文件分配表（FAT）
- 为了提高文件系统访问速度，FAT一般常驻内存
5.FAT表的相关计算
MS-DOS文件分配结构为例：
一个1.2M的磁盘，盘块512B大小；若文件系统采用FAT格式，则FAT表大小如何？
- 表项个数 = 盘块个数 = 容量 / 盘块大小 = 1.2 *220 / 29 = 1.2 *211 个
- 表项大小，决定于盘块数量编号需要的位数=12 位；
- FAT表大小 = 表项个数 * 表项大小 = 1.2 211 * 12 bit = 1.2 211 * 1.5B = 3.6KB
以半字节（0.5B=4b）为基本单位,表项需12位（1.5B）
由上述公式，若容量为200M的磁盘，盘块仍为512B，FAT表大小如何？
FAT表表项有200K≈218 （个）
表项需20位，即28+4，2.5字节
FAT表需内存大小为2002.5=500KB
6.索引分配
- 链接的不足
- 顺序检索的时间成本：不能支持高效的盘块直接存取。要对一个文件进行直接存取，仍需在FAT中顺序的查找许多盘块号。
- 链接信息的空间成本：FAT需占用较大的内存空间。当磁盘容量较大时，FAT可能要占用数MB以上的内存空间。这是令人难以忍受的
- 改进：
系统运行时只涉及部分文件，FAT表无需全部调入内存
- 每个文件单独建索引表（物理盘块索引），记录所有分配给它的盘块号；
- 建立文件时，便分配一定的外存空间用于存放文件盘块索引表信息；
- 单级索引分配
- 索引形式适合大文件
- 中、小型文件，只需若干链接即可。若用索引分配方式，用一个盘块存放少量索引信息反而不适用。
- 多级索引分配
- 若文件较大，存放索引表也需要多个盘块（索引盘块）。
- 索引盘块亦需要按顺序管理起来
若索引盘块数量较少用指针链接的方式即可；
若索引盘块较多，需对索引盘块也采用索引方式管理，形成多级索引。
- 多级索引下的文件大小
若两级索引，盘块1KB，盘块号占4字节
- 一个盘块可存放的盘块号数有多少个
1KB/4B = 210/4 = 28 = 256（个） - 二级索引下的文件可分配的最大盘块数
256 * 256 =26×210=64 K（个） - 文件最大长度为
64K（个）*1KB=64MB - 若盘块大小为4KB，单级索引允许文件最大长度为4MB（4K/44KB），二级索引则文件最大可达4GB（1K1K*4KB）。
- 混合组织索引（增量式索引组织方式）
多种索引方式相结合，以UNIX system V的索引结点为例：
一个索引结点定义为13个地址项：iaddr（0）~iaddr（12），总的来说分为两种：直接地址、间接地址
- iaddr（0）~iaddr（9）存放直接地址，即存文件数据的盘块号；
- iaddr（10）存放单级索引的索引盘块号；
- 剩余的用于文件较大时存放多级索引数据。
iaddr（11）存放二级索引的主索引盘块号
iaddr（12）存放三级索引的主索引盘块号
8.2 存储空间的管理
1.典型的管理方法：
1）空闲表和空闲链表法
2）位示图法
3）成组链接法
2.空闲表法
常用于连续分配管理方式
- 数据结构
- 系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表
- 每个空闲区对应一个空闲表项
（表项包括序号、空闲区的第一个盘块号、空闲盘块数等。） - 将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列，如下图。
- 存储空间的分配与回收操作
- 与内存的动态分配类似，同样可采用首次适应算法、循环首次适应算法等。
- 回收主要解决对数据结构的数据修改。
- 应该说明，虽然很少采用连续分配方式，然而在外存的管理中，由于它具有较高的分配速度，可减少访问磁盘的I/O频率，故它在诸多分配方式中仍占有一席之地。（如实现虚拟用的部分外存就是连续分配方式）
3.空闲链表法
将所有空闲盘区拉成一条空闲链。
- 数据结构：链
根据构成链所用基本元素的不同，可把链表分成两种形式：
①空闲盘块链
- 将磁盘上的所有空闲空间，以盘块为单位拉成一条链。
- 因创建文件而请求分配空间时，系统从链首依次摘下适当数目的空闲盘块分配给用户。
- 因删除文件而释放存储空间时，系统将回收的盘块依次插入空闲盘块链的末尾。
- 优点：分配和回收一个盘块的过程非常简单，但为一个文件分配盘块时，可能要重复操作多次。
②空闲盘区链 - 将所有空闲盘区拉成一条链。每个盘区上含有：
指示下一空闲盘区的指针、本盘区大小等信息 - 分配通常采用首次适应算法。回收盘区时，将回收区与相邻的空闲盘区相合并。
为提高检索速度，可以采用显式方法，为空闲盘区建立一张链表放在内存中。 - 分配、回收操作涉及的链式数据结构的处理方便
③对比
空闲盘块链：分配回收简单。链表长，大量分配时需要操作的指针多
空闲盘区链：链表长度不定，分配时操作的指针数量相对较少，但分配回收操作相对复杂。
4.位示图法
- 位示图
- 利用二进制的一位来表示一个盘块的使用情况。
值为0表示对应的盘块空闲，为1表示已分配。有的系统则相反。
磁盘上的所有盘块都有一个二进制位与之对应，这样由所有盘块所对应的位构成一个集合，称为位示图。 - 总块数=mn。可用mn个位数来构成位示图，可看成是二维数组（数据结构）。
- 根据位示图进行盘块分配：
- 顺序扫描位示图。找到为0的二进制位。
- 将所找到的一个或一组二进制位，转换成与之对应的盘块号。进行分配操作。
盘块号计算公式为：盘块号 = 列总数*（i-1）+ j;（注意下标i，j从1开始） - 修改位示图。
- 根据位示图进行盘块回收：
- 将回收盘块的盘块号转换成位示图中的行号和列号。
转换公式为：i=(盘块号-1)div列数+1；j=(盘块号-1)mod列数+1
Div 求商，mod 取余，公式中的i、j都是从1开始的
（如12号盘块转换后为1，12） - 修改位示图。
- 优缺点
优点：从位示图中很容易找到一个或一组相邻接的空闲盘块。
但限于容量问题，常用于微型机和小型机中。
5.成组链接法
- 大型文件系统，空闲表或空闲链表太长不方便管理操作。
- UNIX系统中采用成组链接法，这是将两种方法结合而形成的一种空闲盘块管理方法。
- 中心思想：
所有盘块按规定大小划分为组；
组间建立链接；
组内的盘块借助一个系统栈可快速处理，且支持离散分配回收。 - 成组链接法
链表长度上限固定
组内的盘块借助一个系统栈可快速处理，且分配回收比较简单。
支持离散分配回收。 - 空闲盘块的组织
空闲盘块号栈：用来存放当前可用的一组空闲盘块的盘块号（最多含100个号）
栈中尚有的空闲盘块号数N。（N兼具栈顶指针用。栈底为S.free(0)，栈满时栈顶到达S.free(99)，N=100，表示有100个盘块供使用。
链接：
每一组的第一个盘块记录下一组的盘块号，形成了一条链。
总将链的第一组盘块总数和所有的盘块号，记入栈，作为当前可供分配的空闲盘块号。 - 空闲盘块的分配与回收
①分配盘块时，须调用分配过程来完成。
先检查空闲盘块号栈是否上锁，如没有，便从栈顶取出一空闲盘块号，将与之对应的盘块分配给用户，然后将栈顶指针下移一格。
若该盘块号已是栈底，即S.free(0)，到达当前栈中最后一个可供分配的盘块号。
读取该盘块号所对应的盘块中的信息：即下一组可用的盘块号入栈。
原栈底盘块分配出去。修改栈中的空闲盘块数。
②回收
回收盘块号记入栈顶，空闲数N加1
N达到100时，若再回收一块，则将该100条信息填写入新回收块。