文件与磁盘空间管理---外存分配方式、存储空间管理

一、外存分配方式

a.目标：有效利用外存空间，提高文件访问速度
b.采用的磁盘分配方式决定了文件的物理结构：
顺序结构；链接式结构；索引式结构。

c.常用的外存组织三种方式：

1. 连续分配（顺序结构）
   a.为每一个文件分配一组相邻的盘块。
   b.逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序一致。
   优点：顺序访问容易，读写速度快
   缺点：
   *会产生外存碎片。可紧凑法弥补，但需要额外的空间，和内存紧凑相比更花时间。
   *创建文件时要给出文件大小；存储空间利用率不高，不利于文件的动态增加和修改；
   适用于变化不大顺序访问的文件，在流行的UNIX系统中仍保留了连续文件结构。如对换区

2. 链接分配（不连续）（链接式结构）
   可以为每一个文件分配一组不相邻的盘块。
   设置链接指针，将同属于一个文件的多个离散盘块链接成一个链表，这样形成的文件称为链接文件。会有链接成本。
   （1）优点：
   离散分配，消除外部碎片，提高利用率
   同时适用于文件的动态增长；修改容易
   ==>>不足：
   ①顺序检索的时间成本：不能支持高效的盘块直接存取。要对一个文件进行直接存取，仍需在FAT中顺序的查找许多盘块号。
   ②链接信息的空间成本：FAT需占用较大的内存空间。当磁盘容量较大时，FAT可能要占用数MB以上的内存空间。这是令人难以忍受的
   （2）链接有两种形式：
   ①隐式链接
   a.链接信息隐含记录在盘块数据中；记录中只有开始盘块号和结束盘块号
   b.每个盘块拿出若干字节，记录指向下一盘块号的指针。（减少了每一块存储的字节数）
   c.问题：只能顺着盘块读取，可靠性低（花费的时间长）
   ②显式链接（FAT–file allocationtable）
   a.链接信息以信息表的形式显示存放
   b.属于一个文件的盘块通过链接成为一体，每个链条的首地址作为文件地址记录在相应文件的FCB（文件控制块）的“物理地址”字段中。
   c.记录盘块链接的指针显示地记录为一张链接表
   d.所有已分配的盘块号都记录在其中，称文件分配表（FAT）
   e.为了提高文件系统访问速度，FAT一般常驻内存
   （根据FAT可知外存大小）
   

3. 索引分配（索引式结构）
   a.系统运行时只涉及部分文件，FAT表无需全部调入内存
   b.每个文件单独建索引表（物理盘块索引），记录所有分配给它的盘块号；
   c.建立文件时，便分配一定的外存空间用于存放文件盘块索引表信息；
   （1）单级索引分配
   分配一个盘块存储该文件占用的盘块号
   a.索引形式适合大文件
   b.中、小型文件，只需若干链接即可。若用索引分配方式，用一个盘块存放少量索引信息反而不适用。
   （2）多级索引
   a.若文件较大,存放索引表也需要多个盘块（索引盘块）。
   b.索引盘块亦需要按顺序管理起来
   ☆若索引盘块数量较少，比指针链接方式浪费空间，用指针链接的方式即可；
   ☆若索引盘块较多，需对索引盘块也采用索引方式管理，形成多级索引
   FBC中存放文件名和主索引号，主索引中再存放一级索引
   
   （3）混合组织索引（增量式索引组织方式）
   一个索引结点定义为13个地址项：iaddr（0）~iaddr（12），总的来说分为两种：直接地址、间接地址
   a. iaddr（0）~iaddr（9）存放直接地址，即存文件数据的盘块号（仅需访问磁盘一次）
   b. iaddr（10）存放单级索引的索引盘块号（需两次访问磁盘）
   c. 剩余的用于文件较大时存放多级索引数据。
   *iaddr（11）存放二级索引的主索引盘块号（需三次访问磁盘）
   *iaddr（12）存放三级索引的主索引盘块号（需四次访问磁盘）

例题：

二、存储空间的管理

为实现存储空间分配，系统需要：
a.记住空闲存储空间使用情况；为空间设置相应的数据结构；
b.提供对存储空间分配、回收的操作手段。

典型的管理方法：
（1）空闲表和空闲链表法
①空闲表法
常用于连续分配管理方式
数据结构:
a.系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表
b.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。）
c.将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列
②空闲链表法
将所有空闲盘区拉成一条空闲链。
数据结构：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：
a.空闲盘块链
优点：分配和回收一个盘块的过程非常简单，链表长，大量分配时需要操作的指针多
b.空闲盘区链
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）位示图法
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。
总块数：mn

a.盘块号计算公式：
j从1开始：盘块号 = 列总数*（i-1）+ j
j从0开始：盘块号 = 列总数*（i-1）+ j+1
b.根据盘块算行列计算公式：
i从1开始：i=(盘块号-1)/列数+1；j=(盘块号-1)%列数+1
i从0开始：i=(盘块号-1)/列数；j=(盘块号-1)%列数
c.优缺点：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
a.大型文件系统，空闲表或空闲链表太长不方便管理操作。
b.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。
c.中心思想：
所有盘块按规定大小划分为组；
组间建立链接；
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