操作系统课件第四版第八章

count 0 4 8 12 16 20 24 28
图 8-6 索引组织方式
2.多级索引组织方式
第二级索引 将一个大文件的所有索引表（二级索引 主索引 磁盘空间 )的地址放 360 360 105 )中，即为索引块再建索引。 0 在另一个索引表（一级索引 740 106 254 1 2
…
105 106
(1) 运行速度比 FAT16格式要慢；
(2) 有最一、一、的限制；
(3) 单个文件的长度不能大于4GB；
(4) 不能保持向下兼容。
四、NTFS 的文件组织方式
NTFS是一个专门为Windows NT开发的、全新的文 件系统。 NTFS 也是以簇作为磁盘空间分配和回收的基本单 位。通过簇来间接管理磁盘，使 NTFS 具有了与磁盘物 理扇区大小无关的独立性。 在 NTFS 中，以卷为单位，将一个卷中的所有文件 信息、目录信息以及可用的未分配空间信息，都以文 件记录的方式记录在一张主控文件表 MFT中。卷中的每 个文件作为一条记录，在MFT表中占有一行。每行大小 固定为1KB，每行称为该行所对应的文件元数据。
二、链接组织方式
一个文件的信息存放在若干不连续的物理块中 , 各 块之间通过指针链接，由此所形成的物理文件称为链接 文件。 提高了磁盘空间利用率 , 不存在外部碎片问题，有 利于文件插入和删除，有利于文件动态扩充。
1.隐式链接
在文件每个目录项中，都含有指向链接文件第一个 盘块和最后一个盘块的指针。 问题：只适合于顺序访问 , 随机访问效率低，可靠 性较差, 只要其中的任何一个指针出现问题，都会导致 整个链的断开。
目录 file jeep start 9 end 25
0 4 8 12 16 1 20 24 28
1 10 5
2 6
3 7
9 16 10 25 11 13 17 21 14 18 22 15 19 23 27 31
25 - 1 26 29 30
图 8-2 磁盘空间的链接组织方式
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。该表是整个磁盘仅设置 一张，表的序号是物理盘块号，从0开始直至 N一1， N 为盘块总数。在每个表项中，存放链接指针，即下一 个盘块号。 在该表中，凡是属于某一文件的第一个盘块号， 或说是每一个链的链首指针所对应的盘块号，均作为 文件地址被填入相应文件的 FCB 的“物理地址”字段 中。
空闲链上的基本单位是盘区，每个盘区可包含若 干个盘块。分配盘区通常采用首次适应算法，为了提高 检索速度，可以采用显式链接方法，即在内存中为空闲 盘区建立一张链表。
二、位示图法
1.位示图
用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况，每 个物理块对应一位，分配物理块为1，否则为0。由所有 盘块所对应的位构成一个集合，称为位示图。可描述为 一个二维数组map
这种分配方式保证了逻辑文件中的记录顺序与存储 器中文件占用盘块的顺序的一致性。为使系统能找到文 件存放的地址，应在目录项的“文件物理地址”字段中， 记录该文件第一个记录所在的盘块号和文件长度 ( 以盘 块进行计量)。 如同内存的动态分区分配一样，随着文件空间的分 配和文件删除时的收回，将使磁盘空间被分割成许多小 块，这些较小的连续区已难于用来存储文件，此即外存 的外部碎片。
空闲盘块号 栈
100 400 399
100
99 0 7999 …
301 S.free 0 1 100 300 299
…
7901
300
400
7900
… 299
…
98 99
202 201
399
…
7899
…
7999
…
… 201 301 7801 7901
图8-11 空闲盘块的成组链接法
第八章 磁盘存储器 管理
第八章 磁盘存储器管理
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
8.4 提高磁盘可靠性的技术
8.5 数据一致性控制
8.1 外存的组织方式
由于磁盘具有可直接访问的特性，故利用磁盘来 存放文件时，具有很大的灵活性。
文件的物理结构主要是指磁盘上文件的结构。在 为文件分配外存空间时，采用不同的分配方式将形成 不同的文件物理结构。 目前常用的外存的组织方法有：
2 3 4 5
图 8-3 显式链接结构
4
5 1
三、FAT技术
FAT12 、 FAT16 、 FAT32 和 NTFS 文件系统所采用 的文件分配方式基本上都是类似于显式链接方法。
在早期的MS-DOS的FAT文件系统中，引入了“卷” 的概念，可以支持将一个物理磁盘分成四个逻辑磁盘， 每个逻辑磁盘就是一个卷（也称为分区），每个卷都 划出一个单独区域来存放自己的目录和FAT表，以及自 己的逻辑驱动器字母。
混合索引方式
思考题：
1. 分别说明三种文件存储方式的优缺点。 2. 设一个文件由 100个物理块组成。对于连续、链接 和索引存储方式，分别计算执行下列操作所应启动的 I/O 次数（链接方式使用的是单向指针，但设有头、 尾指针）： （1）将一块加在文件的开头； （2）将一块插入文件的中间； （3）将一块加在文件的末尾。 3. 假定盘块大小为4KB，每个盘块号占4个字节，在 两级索引结构中，允许的文件最大长度是多少？
序号
1 2 3 4
第一空闲盘块号
2 9 15 — 图 8-9 空闲盘块表
空闲盘块数
4 3 5 —
2）存储空间的分配与回收 与内存的动态分配类似，同样是采用首次适应算 法、循环首次适应算法等。
2. 空闲链表法
把所有空闲盘区链成一条空闲链。根据构成链所 用基本元素的不同，可把链表分为：
1）空闲盘块链 以盘块为单位拉成一条链。 用于分配和回收一个盘块的过程非常简单，但在为 一个文件分配盘块时，可能要重复操作多次。 2）空闲盘区链
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。 （2）文件区中的所有空闲盘块，被分成若干个组。
（3）将每一组含有的盘块总数N和所有的盘块号，记入 其前一组的第一个盘块中，这样，由各组的第一个盘块 可链成一条链。 （4）将第一组含有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 一组中，而在其自身的第一个盘块中则存放“ 0”，作 为空闲盘块链的结束标志。
Var map:array[1…m,1…n]of bit;
图 8-10 位示图
2.盘块的分配
按位示图分配盘块，分三步进行：
（1）顺序扫描位示图。 （ 2 ）将所找到的一个或一组其值为“ 0 ”的二进制位， 转换成与之相应的盘块号，相应的盘块号按下式计算： b=n(i-1)+j
式中， n代表每行的位数
1. FAT12
早期 MS-DOS 操作系统所使用的是 FAT12 文件系统。
FCB A
FAT 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
4 6 EOF 11
图 8 4 MS-DOS
FCB B
9
百度文库
10 5 EOF
的 文 件 物 理 结 构
早期 FAT12文件系统以盘块作为基本分配单位时， 其所能管理的磁盘最大容量仅为８ MB。为了适应磁盘 容量不断增加的需要，后来在进行盘块分配时，不再 以盘块而是以簇为基本单位。 簇是一组连续的扇区，一个簇应包含扇区的数量 与磁盘容量的大小直接有关。
list
3 f 7 11 tr 15 19 23 27 31
file count tr mail list f
start 0 14 19 28 6
length 2 3 6 4 2
21 25 29
30
图 8-1 磁盘空间的连续组织方式
在采用连续组织方式时，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，这样形成的物理文 件称为顺序文件。
740 356 357
图 8 7 两 级 索 引 组 织 方 式
1125
… …
…
254
1125 356 357 985
…
… …
985
…
3.增量式索引组织方式
也称为混合组织方式，UNIX文件系统采用的就是这 种组织方式。每个文件的索引表为13个索引项，每项2 个字节。 最 前 面 10 项 直 接 登 记 存 放 文 件 信 息 的 物 理 块 号 （直接寻址）。如果文件大于 10 块，则利用第 11 项指 向一个物理块，该块中最多可放 256个文件物理块的块 号（一次间接寻址）。对于更大的文件还可利用第 12 和第13项作为二次和三次间接寻址。 UNIX 中采用了三级索引结构后，文件最大可达 16 兆个物理块。
块的地址为b+1，第三个盘块的地址为b+2，„„。通
常，它们都位于一条磁道上，在进行读／写时不必移 动磁头。仅当访问到一条磁道的最末一个盘块时，才 需要移到下一条磁道，于是又去连续地读／写多个盘 块。
目 录 count 0 4 8 12 16 20 24 28 1 5 9 13 17
m ail
2 6 10 14 18 22 26
（3）修改位示图，将对应位转置为1。
3.盘块的回收
盘块的回收分两步： （1）将回收盘块的盘块号转换成位示图中的行、列号。 转换公式为： i=(b-1)DIV n+1 j=(b-1)MOD n+1 （2）修改位示图，将对应位转置为0。
三、成组链接法
在UNIX系统中采用的是将空闲表法和空闲链表法相 结合形成的一种空闲盘块管理方法，它兼备了上述两种 方法的优点而克服了两种均有的表太长的缺点。
五、索引组织方式
1.单级索引组织方式
一个文件的信息存放在若干不连续物理块中，系 统为每个文件建立一个专用数据结构 -- 索引表，并将 这些块的块号存放在一个索引表中。
一个索引表就是磁盘块地址数组 , 其中第 i 个条目 指向文件的第i块。 问题： 小文件采用此分配方式，其索引块的利用率极低 。
目录 file jeep 1 5 9 13 17 21 25 29 2 6 10 14 18 22 26 30 3 7 11 15 19 23 27 31 19 9 16 1 10 25 －1 －1 －1 块序号 19
8.2 文件存储空间的管理
在为文件分配磁盘时，除了需要文件分配表，还需 要设置一个磁盘分配表，用于记住可供分配的存储空间 情况。存储空间的基本分配单位是磁盘块而非字节。
一、空闲表法和空闲链表法
1. 空闲表法（属于连续分配方式）
1）空闲表 将外存中的所有空闲块记录在一个表中，即空闲表， 每个空闲区对应于一个空闲表项，共中包括表项序号、 该空闲区的第一个盘块号、该区的空闲块数等信息。再 将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列。
连续组织方式 ； 链接组织方式 ；索引组织方式 过去在一个系统中，仅采用其中的一种方法来为 文件分配外存空间。在现代 OS 中，对文件可采取多种 类型的组织形式。
一、连续组织方式
又称连续分配方式，要求为每一个文件分配一组
相邻接的盘块。一组盘块的地址定义了磁盘上的一段
线性地址。例如，第一个盘块的地址为b，则第二个盘
同样，也可利用紧凑的方法，来将盘上所有的文件 紧靠在一起，使所有的碎片拼接成一大片连续的存储空 间。但为了将外存上的空闲空间进行一次紧凑，所花费 的时间，远比将内存紧凑一次所花费的时间多得多。
连续组织方式的主要优缺点：
优点: A 简单，支持顺序存取和随机存取; B 顺序存取速度快，所需的磁盘寻道次数和寻 道时间最少。 缺点: A 必须事先知道文件的长度； B 文件不能动态增长 ; C 不利于文件插入和删除; D 外部碎片问题。
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 FCB 物 理块 号 FAT 该表称为文件分配表FAT(File 0 Allocation Table)，MSDOS及OS/2等操作系统都采用FAT。 2 1 0
2. FAT16
增加FAT表的表项数，将FAT表的宽度增至16位， 把这种FAT表称为FAT16。
FAT16对 FAT12的局限性有所改善，但改善很有限。 而且这两种文件系统都不支持长文件名。
３. FAT32
再 增 加 FAT 表 的 宽 度 ， 这 样 就 由 FAT16 演 变 为 FAT32。 * FAT32的明显不足: