计算机操作系统第八章磁盘存储器的管理

Myth丶恋晨 2023-01-02 06:25 208阅读 0赞

适用计算机操作系统（OS）（第四版）  
自己的学习笔记，PPT及图片来源网络及自己老师，侵删。  
三硬一软一接口——2硬

### 计算机操作系统第八章 ###

*  [第八章磁盘存储器的管理][Link 1]
 *   *  [8.1 外存的组织方式][8.1]
     *   *  [8.1.1 连续组织方式][8.1.1]
         *  [8.1.2 链接组织方式][8.1.2]
         *  [8.1.５ 索引组织方式][8.1._]
     *  [8.2 文件存储空间管理][8.2]
     *   *  [8.2.1 空闲表法和空闲链表法][8.2.1]
         *  [8.2.2 位示图法][8.2.2]
         *  [8.2.3 成组链接法][8.2.3]

# 第八章磁盘存储器的管理 #

## 8.1 外存的组织方式 ##

1 ）连续组织方式 ：为每一个文件分配一组相邻接的盘块，由此所形成的文件物理机构将是顺序式的文件结构  
2 ）链接组织方式 ：可以为每个文件分配不连续的磁盘空间，通过链接指针将一个文件的所有盘块链接在一起。  
3 ）索引组织方式 ：对文件采取索引组织方式时，所形成的将是索引式文件结构。

### 8.1.1 连续组织方式 ###

把逻辑文件中的记录顺序地存储到邻接地各物理盘块中，类似文件count的第一个盘块号是0，文件长度为2，因此盘块号为0和1的两盘块中存放着文件count的数据。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NjU3NjY5_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
连续分配的主要优点如下：

*  顺序访问容易。
 *  顺序访问速度快。

连续分配的主要缺点如下：

*  文件不能动态增长。
 *  外部碎片问题。
 *  必须事先知道文件的长度。

### 8.1.2 链接组织方式 ###

主要优点：

*  消除了磁盘的外部碎片，提高了外存的利用率
 *  对插入、删除和修改记录都非常容易
 *  能适应文件的动态增长，无需事先知道文件的大小

1 、隐式链接

在文件目录的每个目录项中，都须含有指向链接文件第一个盘块和最后一个盘块的指针，而在每个盘块中都含有一个指向下一个盘块的指针。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NjU3NjY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
隐式链接的主要优点如下：

*  提高磁盘的空间利用率，不存在外部碎片。
 *  有利于文件的插入、删除和动态扩充。

隐式链接的主要缺点如下：

*  存取速度慢，一般只适用于信息的顺序存取。
 *  可靠性问题。

主要问题：只适合顺序访问，它对随机访问是及其低效的。

2、显式链接  
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（整个磁盘中仅设置一张），该表称为文件分配表FAT，表的序号是物理块盘号，从0开始，到N-1，盘块总数N，每个表项中存放链接指针（下一个盘块号），文件的FCB的物理地址中填入该文件的链首指针所对应的盘块号。  
![在这里插入图片描述][20210101230422673.png]

### 8.1.５ 索引组织方式 ###

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：

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。

2 ) FAT需占用较大的内存空间。

索引分配的主要优点如下：

*  保持了链接结构的优点，又解决了其缺点。
 *  有利于文件的插入、删除和动态扩充。

索引分配的主要缺点如下：

*  索引表本身带来了系统开销。

１、单级索引组织方式（一级）

为每一个文件分配一个索引块(表),把分配给该文件的所有盘块号都记录在该索引块中,建立一个文件时,只须在为之建立的目录项中填上指向该索引块的指针.  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NjU3NjY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
2 、多级索引组织方式（二级）  
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，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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NjU3NjY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
3、增量式索引组织方式  
混合组织索引

直接索引 ：每项存放的是该文件数据所在盘块的盘块号。  
一次间接索引 ：实质一级索引分配方式  
多次间接索引 ：实质是二级索引分配方式

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NjU3NjY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

## 8.2 文件存储空间管理 ##

### 8.2.1 空闲表法和空闲链表法 ###

1、空闲表法  
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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NjU3NjY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
属于连续分配方式，空闲盘区的分配与内存的分区(动态)分配类似，同样是采用首次适应算法和最佳适应算法等，它们对存储空间的利用率大体相当，都优于最坏适应算法。

存储空间的分配与回收 ：

空闲盘区的分配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。

系统在对用户所释放的存储空间进行回收时，也采取类似于内存回收的方法， 即要考虑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。

2 、空闲链表法

空闲盘块链：适合于离散分配  
空闲盘区链

空闲盘块链的分配与回收 ：

*  若某文件申请K个盘块，则从链头依次摘下K个盘块分配，并修改空闲链的链头指针。
 *  回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NjU3NjY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

空闲盘区链的分配与回收

*  若某文件申请K个盘块，则可以采用首次适应、最佳适应等算法，从链头开始检索，按照算法规则找到一个大小符合要求的空闲盘区，分配给文件。若没有合适的连续空闲块，也可以将不同盘区的盘块同时分配给一个文件，注意分配后可能要修改相应的链指针、盘区大小等数据。
 *  若回收区和某个空闲盘区相邻，则需要将回收区合并到空闲盘区中。若回收区没有和任何空闲区相邻，将回收区作为单独的一个空闲盘区挂到链尾。

离散分配、连续分配都适用。为个文件分配多个盘块时效率更高

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NjU3NjY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

### 8.2.2 位示图法 ###

是利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况，“0”,表示对应的盘块空闲，为“1”时，表示已分配。（有的系统正好相反，但本质上没有区别），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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NjU3NjY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
盘块的分配与回收 ：

1、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(“0”表示空闲时)。

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。假定找到的其值为“0”的二进制位，位于位示的第i行、第j列，则其相应的盘块号应按下式计算：

b = n*( i - 1 ) + j

*  1

式中， n代表每行的位数，注意盘块号、位号（列号）、字号（行号）是从零开始还是从一开始。

3）修改位示图， 令map［i,j］=1。

2、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。 转换公式为：

i = ( b - 1 ) DIV n + 1
     				j = ( b - 1 ) MOD n + 1

*  1
 *  2

2 ）修改位示图。 令map ［i,j］=1。

### 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)。其S.free(0)是栈底，栈满时的栈顶为S.free(99)。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NjU3NjY5_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]  
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10000个盘块,每块大小为1KB,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，倒数第二组的盘块号为301~ 400;第一组为201~300。

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。

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、空闲盘块的分配与回收

分配：

1 ）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（栈是临界资源，每次只允许一个进程进去访问，设置了锁）

2 ）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。

3 ）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。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)。

4 ）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。

2 、回收

1 ）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。

2 ）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。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_45657669/article/details/112075864?utm_medium=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase#_4
[8.1]: https://blog.csdn.net/qq_45657669/article/details/112075864?utm_medium=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase#81__5
[8.1.1]: https://blog.csdn.net/qq_45657669/article/details/112075864?utm_medium=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase#811__10
[8.1.2]: https://blog.csdn.net/qq_45657669/article/details/112075864?utm_medium=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase#812__24
[8.1._]: https://blog.csdn.net/qq_45657669/article/details/112075864?utm_medium=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase#81__51
[8.2]: https://blog.csdn.net/qq_45657669/article/details/112075864?utm_medium=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase#82__83
[8.2.1]: https://blog.csdn.net/qq_45657669/article/details/112075864?utm_medium=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase#821__84
[8.2.2]: https://blog.csdn.net/qq_45657669/article/details/112075864?utm_medium=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase#822__119
[8.2.3]: https://blog.csdn.net/qq_45657669/article/details/112075864?utm_medium=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_category.none-task-blog-hot-5.nonecase#823__144
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