【操作系统】4.3文件管理（操作系统需要对磁盘的管理）

1. 对非空闲磁盘的管理

“文件的物理结构/文件分配方式” 的探讨

• 知识补充：
  1. 文件块、磁盘块
     1. 类似于内存分页，磁盘中的存储单元也会被分为一个个“块/磁盘块/物理块”，很多操作系统中磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同
     2. 内存于磁盘之间的数据交换（即读/写操作，磁盘I/O）都是以“块”为单位的，即每次读入一块
     3. 内存管理中，进程的逻辑地址空间被分为一个个页面。同样的，在外存管理中，文件的逻辑地址空间同样被分为了一个个文件的块
     4. 于是文件的逻辑结构地址也可以表示为（逻辑块号，块内地址）的形式

操作系统怎么完成 逻辑地址到物理地址的映射？
（逻辑块号，块内地址）→（物理地址，块内地址），只需要转换块号就行，块内地址保持不变

1. 连续分配

1. 要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块
2. 文件目录中记录着文件的起始块号和长度（总共占几块）
3. 映射过程：
   1. 用户给出要访问的逻辑块号，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）
   2. 物理块号=起始块号+逻辑块号（绝对=起始+相对）
   3. 话需要检查用户提供的逻辑块号<= 文件长度
4. 性能：
   1. 优点：
      1. 可以直接算出逻辑块号对应的物理块号，因此连续分配支持顺序访问和直接访问

         顺序访问：一块一块顺序访问
         直接访问：要访问2号块，可以跳过1号块直接访问（能直接算出2号块）

      2. 连续分配的文件在顺序读写时速度最快

         读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相距越远，移动磁头所需的时间就越长

   2. 缺点：
      1. 不方便文件的拓展
      2. 存储空间利用率低，会产生磁盘碎片
         

2. 链接分配

1. 采取离散分配方式，可以为文件分配离散的磁盘块
2. 分类：
   1. 隐式链接：（考试中默认的链接方式）
      1. 文件记录了文件存放的起始块号和结束块号
      2. 除了文件最后一个磁盘外，每个磁盘中都会保存指向下一个盘块的指针，这些指针对用户是透明的
      3. 从目录项中找到起始块号（即0号块），将0号逻辑块读入内存，由此知道1号逻辑块存放的物理块号，于是读入1号逻辑块，再找到2号块的逻辑地址——因此，读入 i 号逻辑块，总共需要 i + 1 次磁盘I/O
      4. 性能：
         1. 优点：
            1. 由于是离散的，故方便文件的拓展，且不会有碎片问题
         2. 缺点：
            1. 采用隐式的链接分配，只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低
            2. 块内存储下一个逻辑块的指针也会占用少量的存储空间
   2. 显式链接：
      1. 把用于链接文件的各个物理块的指针显式地、统一地存放在一张表中，即 文件分配表FAT
      2. 假设有一个文件aaa依次存放在磁盘块2，5，0，1，目录中只会存放文件的起始块号
         
      3. 注意：
         1. 一个磁盘仅设置一张FAT，开机时，将FAT读入内存，并⭐常驻内存
         2. FAT各个表项在物理上连续存储，且每一个表项大小相同，所以物理块号可以隐含
      4. 从目录项中找到起始块号（即0号块），如要查找的 i 号块，i > 0 ，则查询 内存中 的FAT，依次找到 i 号块的物理地址，因此，逻辑块号转换成物理块号的过程不需要读磁盘操作
      5. 性能：
         1. 优点：
            1. 由于是离散的，故方便文件的拓展，且不会有碎片问题
            2. 采用显式的链接分配，不仅支持顺序访问，也支持随机访问（有FAT的存在，不需要像之前一样依次访问之前的磁盘块，在FAT中找就行），查找效率高
         2. 缺点：
            1. 文件分配表FAT也会占用少量的存储空间

3. 索引分配

1. 索引分配允许文件离散地存放在各个磁盘中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中建立了文件的各个逻辑块相对的物理块号（逻辑页面到物理块之间的映射关系）
2. 索引表存放的物理块称为索引块，文件数据存放的物理块称为数据块
3. 目录中需要记录的是文件的索引块所在的物理块
4. 假设有一个文件aaa依次存放在磁盘块2，5，0，1，目录中只会存放文件的索引块所在的7号物理块，去7号物理块调出文件aaa的索引表内容后，里面存放着文件aaa每个逻辑块对应的物理块号
   
5. 可以用固定长度表示索引表中的物理块号。如：若磁盘总容量为1TB=2⁴⁰ B，而一个物理快大小为1KB=2¹⁰B，则一共有物理块数=2⁴⁰ B/2¹⁰B= 2³⁰ 个，则要表示这么多块，需要30位二进制，所以需要用于存储物理块号的大小应为：4B。同时，索引表在索引块中是顺序存储的，且每个索引表项位4B，故逻辑块号是可以隐含的，即索引表项大小为4B
6. 性能：
   1. 优点：
      1. 索引分配方式可以支持随机访问
      2. 方便实现文件的拓展（只需要给文件分配一个空闲块，同时增加一个索引表项即可）
   2. 缺点：
      1. 索引表需要占用一定空间
7. 思考：

   上面例子中，一个物理快大小为1KB=2¹⁰B，索引表项大小为4B，故一个索引块中能放2¹⁰ / 4 =256个索引表项，但是如果一个文件的索引表项大于256个，该怎办呢?

   1. 链接方案
      1. 如果索引表太大，则可以将大索引表拆分成很多小的索引表，再将这些索引表链接起来
      2. 存在的问题：
         如果一个文件大小为64MB=2²⁶ B，而一个磁盘块大小为1KB，则该文件需要2²⁶ /2¹⁰ =2¹⁶ 个物理块，又由于一个磁盘块中只能放256=2⁸ 个索引项，所以光存放索引表的索引块就需要2¹⁶ / 2⁸ =2⁸ 个，这些索引块是一个个串起来的，如果要读文件的结尾，就需要访问 256个磁盘块才能实现，可见这样的磁盘I/O是很大的
   2. 多层索引
      1. 建立多层索引（原理类似于多级页表），使第一层索引块指向第二层索引块，还可以根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块
         
      2. 假设磁盘块大小为1KB，一个索引表项占4B，所以一个磁盘块中能存放2⁸ 个索引表项，因此，两级索引中能存放的文件的最大大小为2⁸ *2⁸ * 1KB= 2²⁶ B=64MB
      3. 如何根据逻辑块号找到它的物理块号：
         1. 要访问1026号逻辑块，则1026 % 2⁸ =4，1026 / 2⁸ =2，也就是1026号逻辑块需要去 4号二级索引表的第2个表项去找
         2. 先由7号找到一级索引表，再由一级索引表的第4个索引表项，再找到4号二级索引表，再由该二级索引表的第2个表项访问目标物理块——可见需要3次磁盘I/O
         3. 若采用三级索引，则文件最大为2⁸ * 2⁸ * 2⁸1KB= 2³² B=16GB，访问目标数据块需要4次磁盘I/O，（ i 级索引，需要 i +1 次I/O）
      4. 多级索引存在的问题：
         虽然大读入文件的磁盘I/O次数大幅减少了，但这又会使得小文件徒增I/O，如果一个1KB的文件采用二级索引，同样也要3次磁盘I/O
         如何解决呢？
   3. 混合索引
      1. 多种索引分配方式的结合，既包含直接索引（直接指向数据块），又包含二级索引、三级索引
      2. 上边这种索引结构支持的最大文件为：（8+256+65536） * 1KB=65800KB
      3. 若顶级索引表还没读入内存：
         1. 访问0~7号逻辑块：两次读磁盘（对于小文件，只需要较少的读磁盘数也可以访问目标数据块）
         2. 访问8~263号逻辑块：三次读磁盘
         3. 访问264~65799号逻辑块：四次读磁盘
   4. ⭐⭐⭐重要考点：
      1. 根据多级索引、混合索引结构算出支持最大的文件大小（key：各级索引表的大小不能超过一个物理块）
      2. 分析访问某个数据块需要的读磁盘次数（key：FCB中会有指向定级索引表的指针；因此可以根据FCB读入顶级索引表，每次读入下一级索引块都需要一次磁盘I/O，注意：看清题目顶级索引块是否已经调入内存）

4. 总结

2. 对空闲磁盘的管理

“文件的存储空间管理” 的探讨

1. 存储空间的划分与初始化

1. 磁盘分区——存储空间的划分：将物理磁盘划分为一个个文件卷（逻辑卷、逻辑盘）
2. 文件卷又会划分成目录区与文件区：
   1. 目录区：主要存放 ① 文件的目录信息（FCB）、② 用于磁盘存储空间管理的信息如：空闲表、位示图、超级块等）
   2. 文件区：用于存放文件数据
3. 存储空间的初始化：将各个文件卷划分为目录区和文件区

2. 几种管理方法

1. 空闲表法
   1. 怎么记录空闲区？
      记录空闲区的第一个空闲块号和空闲物理块数
   2. 如何分配磁盘？
      与内存管理中的动态分配很类似，为一个文件分配连续的存储空间。同样可采用首次适应、最佳适应、最坏适应等算法来决定为文件分配哪个空间
   3. 如何回收磁盘块？
      与内存管理中的动态分配很类似，回收时要注意与相邻空闲磁盘块的合并问题
   4. 适用于连续分配的物理结构
      
2. 空闲链表法
   1. 空闲盘块链：以盘块为单位组成一条空闲链
      1. 操作系统保存着链头、链尾指针
      2. 如何分配：若某文件申请K个磁盘块，则从链头开始依次摘下 K个盘块分配，并修改空闲链的链头指针
      3. 如何回收：回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的尾指针
      4. 适用于离散分配的物理结构
         
   2. 空闲盘区链：以盘区为单位组成一条空闲链
      1. 操作系统保存着链头、链尾指针
      2. 如何分配：若某文件申请K个磁盘块，则从链头开始使用相应的算法，找到符合的盘区，若没有合适的盘区，也可以将不同盘区的物理块分配个同一个文件，分配完要修改相应的指针和盘区大小
      3. 如何回收：注意与相邻盘区的合并问题
      4. 连续、离散分配的物理结构 都适用
3. 位示图法
   1. 位示图：每个二进制位对应一个盘块，0代表空闲，1代表已分配，位示图中一般用连续的字来表示，下面例子中，一个字的字长是16位，因此，可以用 （字号，位号） 对应一个盘块号，或（行号，列号）
   2. 转换时：注意，字号、位号、盘块号是从0开始，还是从1开始的
   3. 如何分配：①顺序找到 K 个0，② 根据这些 0 盘块的（字号，位号）计算出相应的盘块号，将这些盘块分配给文件，③ 并改0 为1
   4. 如何回收：根据要回收的盘块号计算出这些盘块的（字号，位号），并改 1 为 0
   5. 连续、离散分配都适用
      
4. 成组链接法

空闲表法、空闲链表法不适合用于大型的文件系统，因为空闲表和空闲链表可能过大
UNIX系统中采用了成组链接法对磁盘空闲块进行管理

1. 文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为超级块，当系统启动时需要将超级块读入内存。并且要保证内存与外存中的“超级块”数据一致
   
2. 如何分配？
   1. 例一：需要分配一个空闲块
      1. 检查第一个分组是否够，1<100
      2. 分配第一个分组的1个空闲块，并修改超级块中的“下一分组的空闲盘块数”为99
         
   2. 例二：需要分配100个空闲块
      1. 检查第一个分组是否够，100=100
      2. 分配第一个分组的100个空闲块
      3. 由于需要将第一分组的第一块也分配，所以，需要将第一个分组的第一块中的第二分组的信息复制到超级块中
3. 如何回收？
   与分配反操作