文件的物理结构

文件的物理结构（文件分配方式）

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操作系统需要对磁盘进行哪些管理？

对非空闲磁盘块的管理（存放了文件数据的磁盘块）/文件的物理结构/文件分配方式要探讨的问题/

对空闲磁盘块的管理/文件存储空间管理要探讨的问题

文件的物理结构（文件的分配方式）

连续分配，链接分配（隐式链接，显示链接），索引分配

文件块，磁盘块

类似于内存分页，磁盘中的存储单元也会分为一个个“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

内存与磁盘之间的数据交换（即读/写操作,磁盘I/O）都是以‘’块‘为单位进行的，即每次读入一块，或每次写出一块。

在内存管理中，进行的逻辑地址空间被分为一个一个页面。同样的在外存管理中，为了方便对文件数据的管理，文件的逻辑地址空间也被分为了一个个的文件块。

文件的逻辑地址可以表示为（逻辑块号，块内地址）的形式。

用户通过逻辑地址来操作自己的文件，操作系统要负责实现从逻辑地址到屋里地址的映射。

连续分配方式

连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。

用户通过逻辑地址来操作自己的文件，操作系统如何实现从逻辑地址到物理地址的映射？

（逻辑块号，块内地址）->（物理块号，块内地址）。只需转换块号就行，块号地址保持不变。

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）物理块号=起始块号+逻辑块号

操作系统还需要验证用户提供的逻辑块号是否合法

优点：

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（随机访问）

读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需时间就越长。

结论：连续分配的文件在顺序读/写时速度最快

缺点：

物理上采用连续分配的文件不方便拓展

物理上采用连续分配，存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片，可以用紧凑来处理碎片，但是需要耗费很大的时间代价。

总结：

链接分配

可以为文件分配离散的磁盘块

隐式链接

目录中记录了文件存放的起始块号和结束块号，也可以增加一个字段来表示文件的长度

除了文件最后一个磁盘块之外，每个磁盘块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

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）

从目录中找到其实块号（即0块号），将0块号逻辑块读入内存，由此知道1号逻辑块存放的物理号，于是读入1号逻辑块，再找到逻辑块的存放位置，以此类推

结论：

采用隐式链式分配方式的文件，只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低，另外，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间

若此时要拓展文件，则可以随便找到一个空闲磁盘块，挂到文件的磁盘块链尾，并修改文件的FCB

很方便拓展文件，另外，所有的空闲磁盘块都可以被利用，不会有碎片问题，外存利用率高。

显示链接

把用于链接文件各物理块的指针显示地存放在一张表中，即文件分配表（FAT,File Allocation Table）

目录中只需记录文件的起始块号，

注意：

一个磁盘仅设置一张FAT。开机时，将FAT读入内存，并常驻内存，FAT的各表项在物理上连续存储，且每一个表项长度相同，因此物理块号字段可以是隐含的。

文件逻辑块号到物理块号的转变：

从目录中找到起始块号，若i>0.则查询内存中文件分配表FAT，往后找到i号逻辑对应的物理块号。逻辑块号转换成物理块号的过程不需要读磁盘操作。

结论：采用显示链接方式的文件，支持顺序访问，也支持1随机访问（想访问i号逻辑块时，并不需要一次访问之前的0~i-1号逻辑块）由于块号转换的过程不需要访问磁盘，因此相比于隐式链接来说，访问速度快很多。

不会产生文件碎片

缺点：文件分配表需要占用一定的存储空间。

索引分配

索引分配允许文件离散的分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件各个逻辑块对应的物理块，（索引表的功能类似于内存管理中的页表--建立逻辑页面到物理页之间的映射关系）。索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。

注意：在显示链接的链式分配方式张，文件分配表FAT1是一个磁盘对应一张。而索引分配方式中，索引表是一个文件对应一张。

实现逻辑块号到物理块号的转变：

从目录中可知索引表存放位置，将索引表从外存读入内存，并查找索引表即可只i号逻辑块在外存中的存放位置。

索引分配的方式支持随机访问，文件拓展也很容易实现（只需给文件分配一个空闲块，并增加一个索引表项即可）但是索引表需要占用一定的存储空间

出现为问题：当一个磁盘块装不下文件的整张索引表，

链接方案

如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来放

缺点：若想要访问文件的最后一个逻辑块，就必须找到最后一个索引块（第256个索引块），而各个索引块之间是用指针链接起来的，因此必须先顺序地读入前255索引快，这显然效率是很低的

多层索引

建立多层索引（原理类似于多级页表），使第一层索引快指向第二层的索引快。还可根据文件大小的要求再建立第三层，第四层索引快。

采用K层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问一个数据块只需要K+1次读磁盘操作

混合索引

多种索引分配的结合。例如，一个文件的顶级索引表中，既包含直接地址索引（直接指向数据块），又包含一级简接索引（指向单层索引表），还包含两级简接索引（指向两层索引表）

对于小文件，只需较少的读磁盘次数就可以访问目标数据块。一般计算机中小文件更多。