第八章 磁盘存储管理

(1) 不能支持高效的直接存取。要对一个较大 的文件进行直接存取，须首先在FAT中顺序地 查找许多盘块号。
链接分配方式存在的问题
(2) FAT需占用较大的内存空间。

由于一个文件所占用盘块的盘块号是随机 地分布在FAT中的，因而只有将整个FAT 调入内存，才能保证在FAT 中找到一个文 件的所有盘块号。
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图 磁盘 连续分配（紧凑以后）
8.1.2 链接组织方式（链接分配）

采用链接分配方式时，可通过在每个盘块上的链接 指针，将同属于一个文件的多个离散的盘块链接成 一个链表，把这样形成的物理文件称为链接文件。
（1）顺序访问容易。访问一个占有连续空间的文 件，非常容易。
（ 2 ）顺序访问速度快。因为文件所占用的盘块可 能是位于一条或几条相邻的磁道上，这时，磁头 的移动距离最少。

连续分配的主要缺点
（ 1 ）要求有连续的存储空间。便会产生出许多外 部碎片，降低了外存空间的利用率。 （2）必须事先知道文件的长度。
8.2.2 位示图法
3．盘块的回收
（1）将回收盘块的盘块号转换成位示图中的行号 和列号:
i = (b - 1)DIV n + 1 j = (b - 1)MOD n + 1
（2）修改位示图。
令map[i,j] =0
8.2.2 位示图法
位示图的主要优点: (1)是从位示图中很容易找到一个或一组相邻 接的空闲盘块 (2)由于位示图很小，占用空间少，因而可将 它保存在内存中, 从而节省了许多磁盘的启 动操作。

8.2.3 成组链接法
1．空闲盘块的组织

(1) 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)，以及栈中尚有的空
闲盘块号数N。顺便指出，N 还兼作栈顶指针用。

例如，当N=100 时，它指向S.free(99)。由于栈是
临界资源，每次只允许一个进程去访问，故系统为 栈设置了一把锁。

方式。
2．多级索引分配
图8-7
3．混合索引分配方式

所谓混合索引分配方 式，是指将多种索引 分配方式相结合而形 成的一种分配方式。 在索引结点中可设置 10个直接地址项。
（1）直接地址。
（2）一次间接地址。 （3）多次间接地址。
图8-8
本章内容
8.1 外存的组织方式 8.2 文件存储空间的管理 8.3 提高磁盘I/O速度的途径
2．空闲盘块的分配与回收
在系统回收空闲盘块时，须调用盘块回收 过程进行回收。 它是将回收盘块的盘块号记入空闲盘块号 栈的顶部，并执行空闲盘块数加1 操作。 当栈中空闲盘块号数目已达100 时，表示栈 已满，便将现有栈中的100个盘块号记入新 回收的盘块中，再将其盘块号作为新栈底 。

本章内容
1. 空闲表法 ：属于连续分配方式，它为每个文 件分配一块连续的存储空间。

系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表， 每个空闲区对应于一个空闲表项 。
图8-9
1. 空闲表法

存储空间的分配与回收可采用首次适应算法、循 环首次适应算法等。
回收区是否与空闲表中插入点的前区和后区相邻 接，对相邻接者应予以合并。 采用连续分配方式具有较高的分配速度，可减少 访问磁盘的I/O频率，
连续分配存在的问题

解决方法之一，系统定期或不定期采用 紧凑技术，将小分区合并为大的Βιβλιοθήκη Baidu连续 分区，将文件占用空间合并在一起。
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文件分配表
文件名 起始块号 文件长度 FILE1 FILE2
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2．空闲盘块的分配与回收

由于在该盘块号所对应的盘块中记有下一组可用 的盘块号，因此，须调用磁盘读过程，将栈底盘
块号所对应盘块的内容读入栈中，作为新的盘块
号栈的内容，并把原栈底对应的盘块分配出去(其
中的有用数据已读入栈中)。然后，再分配一相应
的缓冲区(作为该盘块的缓冲区)。最后，把栈中
的空闲盘块数减1 并返回。
8.2.2 位示图法
1．位示图

位示图是利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘 块的使用情况。当其值为“0”时，表示对应的盘 块空闲；为“1”时，表示已分配。 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。

8.2.2 位示图法
1．位示图

通常可用m × n 个位数来构成位示图，并使m × n等于磁盘的总块数
8.3.1 磁盘高速缓存
指在内存中为磁盘盘块设置的一个缓冲区 ，在其中保存了某些盘块的副本。 当出现访问磁盘的请求时，先查看磁盘高 速缓冲区

设计磁盘高速缓存考虑的问题： （1）如何将磁盘高速缓存中的数据传送给 请求进程； （2）采用什么样的置换策略； （3）已修改的磁盘数据在何时被写回磁盘
计算机操作系统
第八章 磁盘存储管理
上章回顾
理解：文件系统的基本概念、目录管理、 文件共享、文件保护的方法。 掌握：文件逻辑结构、文件目录

本章内容
8.1 外存的组织方式 8.2 文件存储空间的管理 8.3 提高磁盘I/O速度的途径

8.1 外存的组织方式
目前常用的外存组织方法有：连续组织方式、 链接组织方式和索引组织方式三种。


每个文件的第一个
盘块号放在自己的 FCB中; 文件A占用4,6,11三
个盘块,文件B占用
9,10,5三个盘块
* FAT和NTFS技术
FAT(File Allocation Table)
NTFS(New Technology File System)
链接分配方式存在的问题

链接分配方式虽然解决了连续分配方式所 存在的问题， 但又出现了另外两个问题， 即：
2．空闲盘块的分配与回收

当系统要为用户分配文件所需的盘块时，须调用 盘块分配过程来完成。该过程首先检查空闲盘块 号栈是否上锁，如未上锁，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)，这是当前栈中最后一个可分配的盘块 号。
8.1 外存的组织方式 8.2 文件存储空间的管理 8.3 提高磁盘I/O速度的途径

8.3 提高磁盘I/O速度的途径
三方面着手 （1）改进文件的目录结构以及检索目录的 方法减少对目录的查找时间； （2）选取好的文件存储结构，提高对文件 的访问速度； （3）提高磁盘的I/O速度，能将文件中的数 据快速地从磁盘传到内存或相反。


(4) 将第一组的盘块总数和所有的盘块号记入空闲 盘块号栈中，作为当前可供分配的空闲盘块号。 (5) 最末一组只有99 个盘块，其盘块号分别记入 其前一组的S.free(1) ～S.free(99)中，而在 S.free(0)中则存放“0”，作为空闲盘块链的结束 标志。(注：最后一组的盘块数应为99，不应是 100，因为这是指可供使用的空闲盘块，其编号 应为(1～99)，0号中放空闲盘块链的结尾标志。)
2．显式链接

在该表中，凡是属于某一文件的第一个盘块号， 均作为文件地址被填入相应文件的FCB 的“物 理地址”字段中。 由于查找记录的过程是在内存中进行的，因而不 仅显著地提高了检索速度，而且大大减少了访问 磁盘的次数。 由于分配给文件的所有盘块号都放在该表中，故 把该表称为文件分配表FAT (File Allocation Table)。

8.2 文件存储空间的管理

文件分配方式：可采取连续分配方式或离散分配 方式。

文件存储空间的 分配单位是磁盘块而非字节。
为了实现存储空间的分配，系统必须能记住存储 空间的使用情况。为此，系统为分配存储空间而 设置相应的数据结构。 系统提供对存储空间进行分配和回收的手段。

8.2.1 空闲表法和空闲链表法
8.1.5 索引组织方式(索引分配)

索引分配方法：
就是为每个文件分 配一个索引块
（表），再把分配
给该文件的所有盘 块号，都记录在该 索引块中，因而该 索引块就是一个含 有许多盘块号数组。
图8-6
单级索引分配

索引分配方式支持直接访问。当要读文件的第i 个盘块时 ，可以方便地直接从索引块中找到第i个盘块的盘块号；


2. 空闲链表法
空闲链表法 ：是将所有空闲盘区拉成一条空闲链。 把链表分成两种形式：空闲盘块链和空闲盘区链。
（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，当用户因创建文件而请求 分配存储空间时，系统从链首开始，依次摘下适 当数目的空闲盘块分配给用户。当用户因删除文 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。 （2）空闲盘区链：将磁盘上的所有空闲盘区（每个 盘区可包含若干个盘块）拉成一条链 。
图 8–10 位示图

位示图也可描述为一个二维数组map： Var map: array of bit；
8.2.2 位示图法
2．盘块的分配
（1）顺序扫描位示图，从中找出一个或一组其值 为“0”的二进制位
（2）将所找到的一个或一组二进制位；转换成与 之相应的盘块号（ b=（i-1）*n + j ）
（3）修改位示图，令map[ i,j ] = 1
1.数据交付方式

（1）数据交付：直接将高速缓存中的数据传达到 请求者进程的内存工作区中；

（2）指针交付：只将指向高速缓存中某区域的指
针交付给请求者进程，传送的数据量少。
2.置换算法
除了考虑最近最久未使用外，还需要考虑：

（1）访问频率 （2）可预见性 （3）数据的一致性

隐式链接分配方式的主要问题在于：它只适合 于顺序访问，它对随机访问是极其低效的。
为了提高检索速度和减小指针所占用的存储空 间，可以将几个盘块组成一个簇，以簇为单位， 将会减小查找指定块的时间，而且也可减小指 针所占用的存储空间。

2．显式链接

这是指把用于链接文 件各物理块的指针， 显式地存放在内存的 一张链接表中，该表 在整个磁盘仅设置一 张

基于数据块的分区能消除外部碎片，但索引项较多，可 能使一个数据块容纳不了一个文件的所有分区的索引。

主要问题是：可能要花费较多的外存空间。每当建立一
个文件时，便须为之分配一个索引块，将分配给该文件
的所有盘块号记录于其中。对于小文件如果采用这种方 式，索引块的利用率将是极低的。
两级索引分配

当 OS为一个大文件分配磁盘空间时，如果所分配出 去的盘块的盘块号已经装满一个索引块时，OS便为该 文件分配另一个索引块，用于将以后继续为之分配的 盘块号记录于其中。依此类推，再通过链指针将各索 引块按序链接起来。 显然，当文件太大，其索引块太多时，这种方法是低 效的。此时，应为这些索引块再建立一级索引，称为 第一级索引，即系统再分配一个索引块，作为第一级 索引的索引块，将第一块、第二块……等索引块的盘 块号填入到此索引表中，这样便形成了两级索引分配


优点：
采取离散分配方式，消除了外部碎片提高了外存空 间的利用率 无须事先知道文件的大小 便于对文件的增、删、改

★ 链接方式又可分为隐式链接和显式链接两种形式。
8.1.2 链接组织方式（链接分配）
1．隐式链接 （见图8-2，P252）
每个盘块中都含 有一个指向下一 个盘块的指针.
8 -2
1．隐式链接
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(2) 文件区中的所有空闲盘块被分成若干个组，比如 ，将每100 个盘块作为一组。假定盘上共有10 000 个盘块，每块大小为1 KB，其中第201～7999 号盘 块用于存放文件，即作为文件区，这样，该区的最 末一组盘块号应为7901～7999；次末组为7801～ 7900……；第二组的盘块号为301～400；第一组为 201～300，如图 8-11右部所示。 (3) 将每一组含有的盘块总数N 和该组所有的盘块号 记入其前一组的第一个盘块的S.free(0)～S.free(99) 中。这样，由各组的第一个盘块可链成一条链。
8.1.1 连续组织方式
1．连续组织方式 ：又称为连续分配方式。要求为每 一个文件分配一组相邻接的盘块；

在采用连续分配方式时，可把逻辑文件中的记录 顺序地存储到邻接的各物理盘块中，这样所形成 的文件结构称为顺序文件结构，此时的物理文件 称为顺序文件。
8-1
2．连续分配的主要优点:

连续分配的主要优点