计算机操作系统（慕课版）第九章磁盘存储器管理学习笔记

本文主要是介绍计算机操作系统（慕课版）第九章磁盘存储器管理学习笔记，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

第九章磁盘存储器管理
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9.1 外存组织方式（文件的物理结构）
外存分配方式即如何记录分配到的物理空间。

是从系统的角度来看文件，从文件在物理介质上的存放方式来研究文件。

外村存储单位

块：又称物理记录，是存储介质上连续信息所组成的一个区域
- 是辅存与主存之间进行信息交换的基本物理单位。在MS DOS 和UNIX系统中，磁盘上块长一般都定为512B。
簇：簇（CLUST）的本意就是“一群”、“一组”
- 即一组扇区的意思，因为块的单位太小，因此把它捆在一起，组成一个更大的单位更方便进行灵活管理。

9.1.1 连续组织方式
为每个文件分配一组相邻接（连续）的磁盘块
对应逻辑结构为：顺序文件结构
此时的物理文件是对记录式文件取连续区组织而构成的文件,称为顺序文件。
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9.1.2 链接组织方式
为文件分配不连续的盘块，通过链接指针将一个文件的所有盘块链接在一起，所形成的物理文件称为链接文件。

每个文件是磁盘块的链接列表：块可以分散在磁盘各处
按所需分配磁盘块，链接在一起
在每个块中有指向下一个块的指针
只需要起始地址

链接组织方式的主要优点：

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。

链接方式

隐式链接：指针存放在每个盘块中，只适合于顺序访问
显式链接：指针显式地存放在内存的文件分配表FAT中

隐式链接
显式链接

FAT文件系统
FAT文件系统是微软最早在MS-DOS开始使用的文件系统，使用FAT（File Allocation Table）

表序号为整个磁盘的物理块号（0—(n-1)）
表项存入链接指针，即下一个块号。
文件的首块号存入相应文件的FCB中。
查找在内存的FAT中，提高了检索速度，同时又减少磁盘的访问次数。

FAT12 以盘块为基本分配单位
为了安全起见，在每个分区中都配有两张相同的文件分配表FAT1和FAT2。
在FAT的每个表项中存放下一个盘块号，而将文件的第一个盘块号放在自己的FCB中。

例如：对于1.2M的软盘，每个盘块的大小为512B，
在FAT表中共有2.4K个表项
每个FAT表项占12位
所以FAT表占用3.6KB的存储空间。
若磁盘大小为20GB，盘块大小为4KB，每个FAT表项站32位，则计算FAT表的大小。

（20GB/4KB）*（32/8）=20MB

计算最大磁盘容量

FAT12最大的寻址范围是：
2的12次方=4096个表项
磁盘分区允许的最大容量：
512K×4096=2MB
一个磁盘4个分区，则最大容量：
2×4=8MB
如何增加磁盘最大容量呢？——簇

以簇为单位的FAT文件系统

簇是一组相邻的扇区，在FAT中被视作一个虚拟扇区
簇的大小一般是2n个盘块(n=1,2,4,8,…)
一个簇应包含扇区的数量与磁盘容量大小直接相关
FAT12中若每个簇有8个扇区，则一簇大小为4K（5128），则磁盘最大容量就提升为64MB（51282的12次方4）
FAT16支持一个簇有64个盘块，其FAT表的表项数最大为216，则最大可以管理的分区空间为2048MB(512642的16次方)

FAT32
每个簇在FAT中的表项占4B；
每个簇(物理块)固定为4KB~32KB；
FAT32最大的寻址范围是：232=4G个表项
FAT32管理的单个最大磁盘空间：512B*232=2TB。
FAT32的缺点：
无法支持大文件，最大4GB
不支持小分区，最小512MB
表项多，FAT表检索速度慢。

9.1.3 索引组织方式

链接组织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：
不支持高效的直接存取。要对一个较大的文件进行直接存取，必须首先在FAT中顺序地查找许多盘块号。
FAT需占用较大的内存空间。
索引方式的引入

为每一个文件分配一个索引块（表），再把分配给该文件的所有块号，都记录在该索引块中。
故索引块就是一个含有许多块号地址的数组。
优点：
支持随机/直接存取。
动态存取没有外碎片
缺点：
需要索引表
对小文件，其索引块的利用率低

单级索引
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假设每个盘块大小为1KB，每个盘块号占4个字节
则在一个索引块中可放256个文件物理块的盘块号。
在两级索引时，最多可包含的存放文件的盘块的盘块号总数为256*256=64K个盘块号。
可以得出：采用两级索引时，所允许的文件最大长度为64MB。

(1) 直接地址
为了提高对文件的检索速度，在索引结点中可设置10个直接地址项，即用iaddr(0)~iaddr(9)来存放直接地址。即每项中所存放的是该文件数据所在盘块的盘块号。假如每个盘块的大小为 4 KB，当文件不大于40 KB时，就可以直接从索引结点中读出该文件的全部盘块号。
(2) 一次间接地址
对于大、中型文件，只采用直接地址是不现实的。可再利用索引结点中的地址项iaddr(10)来提供一次间接地址。这种方式的实质就是一级索引分配方式。图中的一次间址块也就是索引块，系统将分配给文件的多个盘块号记入其中。在一次间址块中可存放1K个盘块号（4KB/4B)，因而允许文件长达4 MB。
(3) 多次间接地址
当文件长度大于4MB+40KB时(一次间址与10个直接地址项)，系统还须采用二次间址分配方式。这时，用地址项iaddr(11)提供二次间接地址。该方式的实质是两级索引分配方式。系统此时是在二次间址块中记入所有一次间址块的盘号。在采用二次间址方式时，文件最大长度可达4GB（4KB1K1K）。同理，地址项iaddr(12)作为三次间接地址，其所允许的文件最大长度可达4TB（4KB1K1K*1K）。

优点：
即能顺序存取,又能随机存取，
满足了文件动态增长、插入删除的要求，
充分利用外存空间
缺点：
较多的寻道次数和寻道时间，
索引表本身带来了系统开销，如：内外存空间，存取时间

9.2 文件存储空间的管理
1 空闲表法
系统为外存上所有空闲区建立一张空闲表，属于连续分配方式
在这里插入图片描述 > 仅当有少量的空白区时才有较好的效果
如果存取空间中有着大量的小的空白区，则其目录变得很大，因而效率大为降低。
分配类似于内存的分区动态分配，如首次适应算法和最佳适应算法等
回收时，也类似于内存回收方法

空闲链表法
空闲盘块链：把所有的“空白块” 链在一起。
以盘块为单位链接起来
优点：分配和回收简单
缺点：效率较低

空闲盘区链
将所有空闲盘区（每个盘区可包含若干个盘块）链接起来
分配盘区的方法与内存分区的动态分配方法类似
优点：效率较高
缺点：分配和回收比较复杂

9.2.2 位示图法

利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况。
0表示盘块空闲，1表示已分配。
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
通常可用mn个位数来构成位示图，并使mn等于磁盘的总块数。

盘块的分配

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)。
将所找到的一个或一组二进制位，转换成与之相对应的盘块号。假定找到的值为“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（假设块号从1开始）应按下式计算：
b=n(i-1)+j（n代表每行的位数）
修改位示图，令map［i,j］=1。

设某系统磁盘共有1600块，块号从0-1599，若用位示图管理这1600块磁盘空间，问位示图需要多少个字节？
1600/8=200B

例》：位示图有20行、32列（设行号、列号、盘块号均从0开始编号），问
在进行盘块分配时，若找到空闲块在位示图上的行号、列号均为3，则相应地盘块号为多少？
在回收盘块时，若盘块号为200，则应该对第几行、第几列的位示图进行修改。
(1)n * i + j = 32 * 3 + 3 = 99
(2)b DIV n=200 DIV 32=6
b MOD n=200 MOD 32=8

4.成组链接法
空闲块表法和空闲链法都适用小型文件系统，否则会使空闲块表和空闲块链太长。成组链接法既克服二者的不足，又可集两种方法的优点于一身，是大型文件系统经常采用的方法。
1>空闲块组链
2>存储空间的分配过程
3>存储空间的回收过程
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9.3 提高磁盘I/O速度的途径

提高文件的访问速度
- 改进文件的目录结构以及检索目录的方法
- 选取好的文件存储结构
- 提高磁盘I/O速度
磁盘I/O速度远低于内存的访问速度，已成为瓶颈
- 磁盘高速缓存
- 其他方法：提前读、延迟写、优化物理块的分布、虚拟盘等

9.3.1 磁盘高速缓存(Disk Cache)

磁盘高速缓存：在内存中为磁盘盘块设置一个缓冲区，在该- 缓冲区中保存了某些盘块的副本。
- 它是一组在逻辑上属于磁盘，而物理上是驻留在内存中的盘块。
- 访问磁盘时，先查看内容是否已在磁盘高速缓存中，如果在，直接从缓存中获取；如果不在，需启动磁盘将需要的盘块读入内存，并送到缓存中
磁盘高速缓存的形式
- 内存中单独的存储空间（大小固定）
- 未利用的存储空间__缓冲池（大小不固定）

9.3.2 提高磁盘I/O速度的其它方法

1.提前读（Read_Ahead）
由于用户对文件的访问常用顺序方式，在读当前块时，可预知下一次要读的盘块，所以，可采用预先读方式，即在读当前块的同时，连同将下一块提前读入缓冲。当访问下一块数据时，其已在缓冲中，而不需去启动磁盘I/O。
2.延迟写
在缓存中的数据,本应立即写回磁盘,考虑不久之后可能会再用,故不立即写回磁盘,已被广泛采用。
3.优化物理块的分布：为文件分配盘块时，优化盘块的分布。
如将同属于一个文件的盘块安排在同一条磁道上或相邻的磁道上，减少磁头的移动距离
4.虚拟盘：利用内存去访真磁盘，又称为RAM盘。
与磁盘高速缓存的区别：RAM盘中的内容由用户控制，而缓存中的内容则由OS控制

9.3.3 廉价磁盘冗余阵列（RAID）

由多个小磁盘所组成的一个容量很大的廉价磁盘冗余阵列RAID
RAID利用一台磁盘阵列控制器来统一管理和控制一组（几台到几十台）磁盘驱动器，进而组成一个大型磁盘系统
- 大幅度增加了磁盘的容量
- 提高了磁盘的I/O速度
- 提高了磁盘系统的可靠性

并行交叉存取
系统将每一盘块的数据分成若干个子盘块数据，再把每一个子盘块的数据分别存储到各个不同磁盘中的相同位置上
当要将一个盘块的数据传送到内存时，采取并行传输方式，将该盘块中的各个子盘块数据同时向内存传输
传输时间大大减少

RAID的分级

RAID被分成了多个不同级别：RAID0~RAID7

RAID 0级
数据分散在多个磁盘上；
提高读写性能
条状分散技术；

RAID 1级
磁盘镜像；提高可靠性。

RAID 5级
分散+校验；
校验信息分散在各个磁盘。

RAID的优点
可靠性高
是RAID 的最大优点（除RAID 0 级外）
磁盘I/O速度高
由于RAID 可采用并行交叉存取方式，故提高了磁盘I/O速度。
性能/价格比高
用RAID技术实现大容量存储器时，与大型磁盘系统相比，其体积和价格只是它的1/3，且可靠性高。

9.4 提高磁盘可靠性的技术

容错技术是通过在系统中设置冗余部件的办法，来提高系统可靠性的一种技术。
磁盘容错技术：是通过增加冗余的磁盘驱动器、磁盘控制器等方法，来提高磁盘系统可靠性的一种技术。磁盘容错技术又称为系统容错技术SFT（System Fault Tolerance ）,可分为三级：
- 低级磁盘容错技术
- 中级磁盘容错技术
- 基于集群系统的容错技术（系统容错技术SFT）

9.4.1 一级磁盘容错技术SFT-I
防止因磁盘表面发生缺陷所引起的数据丢失。采用措施：
双份目录和双份文件分配表

一份为主文件目录及主FAT
另一份为备份文件目录及备份FAT
热修复重定向
系统将一定的磁盘容量（如2%-3%）作为热修复重定向区。
例如：系统要向第3柱2头1扇区写数据，但发现该扇区是坏的时，便将数据写到热修复区（如200柱16头1扇区）。以后要读3柱2头1扇区的数据时，便从200柱16头1扇区中读。

写后读校验