操作系统——第八章笔记（二）

存储空间的管理
1.为实现存储空间分配，系统需要：
 记住空闲存储空间使用情况；为空间设置相应的数据结构；
 提供对存储空间分配、回收的操作手段。
2.典型的管理方法：
2.1空闲表和空闲链表法
空闲表法（常用于连续分配管理方式）：
1）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，如右图。
2）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）
空闲链表法（将所有空闲盘区拉成一条空闲链）：
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。
 特点：分配回收简单。链表长，大量分配时需要操作的指针多。
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
 特点：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。
2.2位示图法——位示图
1）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。
2）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）。
盘块的分配与回收
 根据位示图进行盘块分配：
a）顺序扫描位示图。找到为0的二进制位。
b）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）
c）修改位示图。
 根据位示图进行盘块回收：
a）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。
3）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：
a）所有盘块按规定大小划分为组；
b）组间建立链接；
c）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。
 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。
2.2.1空闲盘块的组织
 空闲盘块号栈。
a）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）
b）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
a）每一组的第一个盘块记录下一组的盘块号，形成了一条链。
b）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。
2.2.2空闲盘块的分配与回收
 分配盘块时，须调用分配过程来完成。
a）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。
b）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。
c）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。
d）原栈底盘块分配出去。修改栈中的空闲盘块数。
 回收
a）回收盘块号记入栈顶，空闲数N加1
b）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。
3.磁盘
3.1 磁盘容错（SFT，system fault tolerance）
3.1.1 防止磁盘故障造成的文件不安全
3.1.2 SFT I:磁盘表面故障
1）双目录、双文件分配表（空间冗余）
2）写后读校验、热修复重定向（时间操作冗余）
 写入磁盘后再读回内存做一致性校验
 热修复写过程：从坏道重定向到专区并记录
3.1.3 SFT II：磁盘驱动器、控制器故障
1）驱动器故障：磁盘镜像
2）控制器故障：磁盘双工——并行控制器，分离搜索加快读取
3.1.4 SFT III：高级容错技术
1）双机热备份
2）双机互备份
3）公用磁盘模式
3.2数据一致性
一个数据分别存储到多个文件中，典型的如数据库
3.2.1保证数据一致性：
高可靠存储器（冗余保证稳定，磁盘双工）+ 一致性软件
3.2.2 概念
 事务：对数据各处保存位置访问、修改使其维持一致性的一次操作。
 事务记录：记录事务运行时数据项修改全部信息的数据结构：事务名、数据项名、旧值、新值。
 恢复算法：利用事务记录表处理已完成、未完成事务。
 检查点：每隔一段时间，将内存中的事务记录表、已修改数据、检查点输出到稳定存储器，
3.2.3并发控制
3.2.4重复数据的一致性
3.3磁盘提速
3.3.1磁盘高速缓存
3.3.2提前读
3.3.3延迟写
3.3.4优化物理块分布
3.3.5虚拟盘
3.3.6磁盘冗余阵列（高速、大容量磁盘系统）