第8章 磁盘存储器的管理

一 、外存的组织方式

1. 连续组织方式(连续分配方式)

(1)概述 

①定义

连续组织方式要求为每一个文件分配一组相邻接的盘块。磁盘空间的联系组织方式如图8-1所示。

②记录方法

在目录项的“文件物理地址”字段中记录该文件第一个记录所在的盘块号和文件长度(以盘块为单位)。

图8-1 磁盘空间的连续组织方式

(2)优点

①顺序访问容易。

②顺序访问速度快。

(3)缺点

①要求为一个文件分配连续的存储空间；且易产生许多外部碎片。

②必须事先知道文件的长度。

③不能灵活地删除和插入记录。

④文件长度不宜动态增加。

2.链接组织方式

(1)隐式链接

①注意事项

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。 ②缺点

无法直接访问盘块且稳定性差。

(2)显式链接 ①定义

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，记为文件分配表FAT。文件分配表在整 个磁盘中仅设置一张。

②优点

不仅显著地提高了检索速度，而且大大减少了访问磁盘的次数。

(3)链接组织方式优点

①消除了磁盘的外部碎片，提高了外存的利用率。

②对插入、删除和修改记录都非常容易。

③能适应文件的动态增长，无需事先知道文件的大小。

(4)链接组织方式缺点

①不支持高效的直接存取。

②FAT 需占用较大的内存空间。

3.索引组织方式

(1)单级索引组织方式

①索引分配方法

把每个文件的所有盘块号都记录在一个索引块(表)中。图8-2示出了磁盘空间的索引分配图。

图8-2 索引分配方式

②优点

a. 支持直接访问。

b. 不会产生外部碎片。 ③缺点

a.  对于小文件采用索引分配方式时，其索引块的利用率将是极低的。

b.  索引表增加存储空间开销，索引表的查找方法影响文件系统的效率。 (2)多级索引组织方式

①概述

多层索引使第一层索引块指向第二层索引块，第二层索引块再指向操盘空间的盘块。文件过大时，还可以指 向第三层索引……。图8-3示出了两级索引组织方式下各索引块之间的链接情况。

图8-3 两级索引分配

②优点

大大加快了对大型文件的查找速度。 

③缺点

在访问一个盘块时，其所需启动磁盘的次数随着索引级数的增加而增多。

(3)增量式索引组织方式(混合组织方式)

增量式索引组织方式既采用了直接寻址方式，又采用了单级和多级索引组织方式(间接寻址)。如图8-4所 示。

图8-4 混合索引方式

二、文件存储空间的管理

1. 空闲表法和空闲链表法

(1)空闲表法 ①空闲表

空闲表法属于连续分配方式，系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表，每个空闲区对应于一个空闲表项， 形成的空闲盘块表如图8-5所示。

图8-5 空闲盘块表

②存储空间的分配与回收

空闲盘区的分配同样是采用首次适应算法和最佳适应算法等算法。

(2)空闲链表法

空闲链表法是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：

①空闲盘块链。

②空闲盘区链。

2. 位示图法

(1)位示图

位示图是利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况。当其值为“0”时，表示对应的盘块空闲； 为“1”时，表示已分配。如图8-6所示。

图8-6 位示图

(2)盘块的分配

根据位示图进行盘块分配的步骤如下：

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。

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 图的第i行、第j 列，则其相应的盘块号应按下式计算：b=n(i-1)+j。式中， n 代表每行的位数。

③修改位示图，令map[i,j]=1。

(3)盘块的回收

根据位示图对盘块进行回收的步骤如下：

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)DIVn+1,j=(b-1)MOD  n+1。

② 修改位示图。令map[i,j]=0。

(4)优点

①从位示图中很容易找到一个或一组相邻接的空闲盘块。

②由于位示图占用空间少，因而可将它保存在内存中，进而节省了许多磁盘的启动操作。

3. 成组链接法

成组链接法是空闲表和空闲链表的结合，适合与大型文件系统中。

三 、提高磁盘I/O 速度的途径

1.采用磁盘高速缓存

2.  提高磁盘I/O 速度的其他方法

(1)提前读。

(2)延迟写。

(3)优化物理块的分布。

(4)使用虚拟盘。

3.  廉价磁盘冗余阵列 (RAID)

(1)RAID   的分级

①RAID  0级

a.  将数据分块，即把数据分布到多个盘上。

b. 无冗余校验功能。

②RAID  1级

a.具有磁盘镜像功能，可利用并行读、写特性，将数据分块同时写入主盘和镜像盘。

b.  可靠性好，且从故障中恢复很简单。

c.  磁盘容量的利用率只有50%。

③RAID  3级

a.① 具有并行传输功能。 

b.  校验盘采用奇偶校验。

④RAID  5级