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1、操 作 系 统第八章第八章 磁盘存储器的管理磁盘存储器的管理8.1 8.1 外存的组织方式外存的组织方式8.2 8.2 文件存储空间的管理文件存储空间的管理8.3 8.3 提高磁盘提高磁盘I/OI/O速度的途径速度的途径8.4 8.4 提高磁盘可靠性的技术提高磁盘可靠性的技术8.5 8.5 数据一致性控制数据一致性控制习题习题8.1 8.1 外存的组织外存的组织方式方式文件文件的物理结构直接与外存的组织方式有关。的物理结构直接与外存的组织方式有关。对于不同的外存组织方式，将形成不同的文件物理对于不同的外存组织方式，将形成不同的文件物理结构。目前常用的外存组织方式有：结构。目前常用的外存组织方式
2、有：(1) (1) 连续组织连续组织方式方式(2) (2) 链接组织链接组织方式方式(3) (3) 索引组织索引组织方式方式 8.1.1 8.1.1 连续组织连续组织方式方式连续组织方式又称连续分配方式，要求为每一个连续组织方式又称连续分配方式，要求为每一个文件分配一组相邻接的盘块。例如，第一个盘块的文件分配一组相邻接的盘块。例如，第一个盘块的地址为地址为b b，则第二个盘块的地址为，则第二个盘块的地址为b+1b+1，第三个盘块，第三个盘块的地址为的地址为b+2b+2，。通常，它们都位于一条磁道上，。通常，它们都位于一条磁道上，在进行读在进行读/ /写时，不必移动磁头。在采用连续组织写时，不必
3、移动磁头。在采用连续组织方式时，可把逻辑文件中的记录顺序地存储到邻接方式时，可把逻辑文件中的记录顺序地存储到邻接的各物理盘块中，这样所形成的文件结构称为顺序的各物理盘块中，这样所形成的文件结构称为顺序文件结构，此时的物理文件称为顺序文件文件结构，此时的物理文件称为顺序文件。图图8-1 8-1 磁盘空间的连续组织方式磁盘空间的连续组织方式连续组织方式的主要优点有：连续组织方式的主要优点有：(1) (1) 顺序访问容易顺序访问容易(2) (2) 顺序访问速度快顺序访问速度快连续连续组织方式的主要缺点如下：组织方式的主要缺点如下：(1) (1) 要求为一个文件分配连续的存储空间。要求为一个文件分配连
4、续的存储空间。(2) (2) 必须事先知道文件的长度。必须事先知道文件的长度。(3) (3) 不能灵活地删除和插入记录。不能灵活地删除和插入记录。(4) (4) 对于那些动态增长的文件。对于那些动态增长的文件。8.1.2 8.1.2 链接组织链接组织方式方式如果可以将文件装到多个离散的盘块中，就可消除连续组如果可以将文件装到多个离散的盘块中，就可消除连续组织方式的上述缺点。在采用链接组织方式时，可为文件分织方式的上述缺点。在采用链接组织方式时，可为文件分配多个不连续的盘块，再通过每个盘块上的链接指针，将配多个不连续的盘块，再通过每个盘块上的链接指针，将同属于一个文件的多个离散的盘块链接成一个链
5、表，由此同属于一个文件的多个离散的盘块链接成一个链表，由此所形成的物理文件称为链接文件。链接组织方式的主要优所形成的物理文件称为链接文件。链接组织方式的主要优点是：点是：(1) (1) 消除了磁盘的外部碎片，提高了外存的利用率。消除了磁盘的外部碎片，提高了外存的利用率。(2) (2) 对插入、删除和修改记录都非常容易。对插入、删除和修改记录都非常容易。(3) (3) 能适应文件的动态增长，无需事先知道文件的大能适应文件的动态增长，无需事先知道文件的大小。小。1. 1. 隐式链接隐式链接在采用隐式链接组织方式时，在文件目录的每在采用隐式链接组织方式时，在文件目录的每个目录项中，都须含有指向链接文
6、件第一个盘块和个目录项中，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。最后一个盘块的指针。 图图8-2 8-2 磁盘空间的链接式分配磁盘空间的链接式分配2. 2. 显式链接显式链接这是指把用于链接文件各物理块的指针显式地这是指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。该表在整个磁盘中仅存放在内存的一张链接表中。该表在整个磁盘中仅设置一张，如图设置一张，如图8-38-3所示。所示。 图图8-3 8-3 显式链接结构显式链接结构8.1.3 FAT8.1.3 FAT技术技术1.1. FAT12 FAT12 1) 1) 早期的早期的FAT12FAT12文件系统文件系统 FAT
7、12FAT12是以盘块为基本分配单位的。由于是以盘块为基本分配单位的。由于FATFAT是文是文件系统中最重要的数据结构，为了安全起见，在每个件系统中最重要的数据结构，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分区中都配有两张相同的文件分配表FAT1FAT1和和FAT2FAT2。在。在FATFAT的每个表项中存放下一个盘块号，它实际上是用于的每个表项中存放下一个盘块号，它实际上是用于盘块之间的链接的指针，通过它可以将一个文件的所盘块之间的链接的指针，通过它可以将一个文件的所有的盘块链接起来，而将文件的第一个盘块号放在自有的盘块链接起来，而将文件的第一个盘块号放在自己的己的FCBFCB中
8、。中。 图图8-4 MS-DOS8-4 MS-DOS的文件物理结构的文件物理结构2) 2) 以簇为单位的以簇为单位的FAT12FAT12文件系统文件系统 稍加分析便可看出，如果把每个盘块稍加分析便可看出，如果把每个盘块( (扇区扇区) )的的容量增大容量增大n n倍，则磁盘的最大容量便可增加倍，则磁盘的最大容量便可增加n n倍。但倍。但要增加盘块的容量是不方便和不灵活的。为此，引要增加盘块的容量是不方便和不灵活的。为此，引入了簇入了簇(cluster)(cluster)的概念。的概念。 2.2. FAT16 FAT16 FAT12FAT12对磁盘容量限制的原因在于，对磁盘容量限制的原因在于，
9、FAT12FAT12表中的表中的表项有限制，亦即最多只允许表项有限制，亦即最多只允许40964096个。这样，随着磁个。这样，随着磁盘容量的增加，必定会引起簇的大小和簇内碎片也随盘容量的增加，必定会引起簇的大小和簇内碎片也随之增加之增加。3. 3. FAT32FAT32由于由于FAT16FAT16表的长度只有表的长度只有6565535535项，随着磁盘容量项，随着磁盘容量的增加，簇的大小也必然会随之增加，为了减少簇内的增加，簇的大小也必然会随之增加，为了减少簇内零，也就应当增加零，也就应当增加FATFAT表的长度，为此需要再增加表的长度，为此需要再增加FATFAT表的宽度，这样也就由表的宽度，
10、这样也就由FAT16FAT16演变为演变为FAT32FAT32。 图图8-5 FAT8-5 FAT中簇的大小与最大分区的对应关系中簇的大小与最大分区的对应关系8.1.4 NTFS8.1.4 NTFS的文件组织的文件组织方式方式1. NTFS1. NTFS新特征新特征NTFS(New Technology File System)NTFS(New Technology File System)是一个专是一个专门为门为Windows NTWindows NT开发的、全新的文件系统，并适用开发的、全新的文件系统，并适用于于Windows 2000/XPWindows 2000/XP及后续的及后续的W
11、indows OSWindows OS。 2. 2. 磁盘组织磁盘组织NTFSNTFS是以簇作为磁盘空间分配和回收的基本单是以簇作为磁盘空间分配和回收的基本单位的。一个文件占用若干个簇，一个簇只属于一个位的。一个文件占用若干个簇，一个簇只属于一个文件。这样，在为文件分配磁盘空间时，就无须知文件。这样，在为文件分配磁盘空间时，就无须知道盘块的大小，只要根据不同的磁盘容量，选择相道盘块的大小，只要根据不同的磁盘容量，选择相应大小的簇，即使应大小的簇，即使NTFSNTFS具有了与磁盘物理块大小无具有了与磁盘物理块大小无关的独立性。关的独立性。3. 3. 文件的组织文件的组织在在NTFSNTFS中，以
12、卷为单位，将一个卷中的所有文件中，以卷为单位，将一个卷中的所有文件信息、目录信息以及可用的未分配空间信息，都以文信息、目录信息以及可用的未分配空间信息，都以文件记录的方式记录在一张主控文件表件记录的方式记录在一张主控文件表MFT(Master File MFT(Master File Table)Table)中，该表是中，该表是NTFSNTFS卷结构的中心，从逻辑上讲，卷结构的中心，从逻辑上讲，卷中的每个文件作为一条记录，在卷中的每个文件作为一条记录，在MFTMFT表中占有一行，表中占有一行，其中还包括其中还包括MFTMFT自己的这一行。每行大小固定为自己的这一行。每行大小固定为1 1KBKB
13、，每行称为该行所对应文件的元数据每行称为该行所对应文件的元数据(metadata)(metadata)，也称，也称为文件控制字。为文件控制字。8.1.5 8.1.5 索引组织索引组织方式方式1. 1. 单级索引组织方式单级索引组织方式链接组织方式虽然解决了连续组织方式所存在的链接组织方式虽然解决了连续组织方式所存在的问题问题( (即不便于随机访问即不便于随机访问) )，但又出现了另外两个问题，但又出现了另外两个问题，即：即： 不能支持高效的直接存取，要对一个较大的文不能支持高效的直接存取，要对一个较大的文件进行存取，须在件进行存取，须在FATFAT中顺序地查找许多盘块号；中顺序地查找许多盘块号
14、； FATFAT需占用较大的内存空间，由于一个文件所占用盘块需占用较大的内存空间，由于一个文件所占用盘块的盘块号是随机地分布在的盘块号是随机地分布在FATFAT中的，因而只有将整个中的，因而只有将整个FATFAT调入内存，才能保证在调入内存，才能保证在FATFAT中找到一个文件的所有中找到一个文件的所有盘块号。盘块号。 图图8-6 8-6 索引分配方式索引分配方式2. 2. 多级索引组织方式多级索引组织方式在为一个大文件分配磁盘空间时，如果所分配在为一个大文件分配磁盘空间时，如果所分配出去的盘块的盘块号已经装满一个索引块时，出去的盘块的盘块号已经装满一个索引块时，OSOS须须再为该文件分配另一
15、个索引块，用于将以后继续为再为该文件分配另一个索引块，用于将以后继续为之分配的盘块号记录于其中。依此类推，再通过链之分配的盘块号记录于其中。依此类推，再通过链指针将各索引块按序链接起来。指针将各索引块按序链接起来。 图图8-7 8-7 两级索引分配两级索引分配3. 3. 增量式索引组织方式增量式索引组织方式1) 1) 增量式索引组织方式的基本思想增量式索引组织方式的基本思想为了能较全面地照顾到小、中、大及特大型作业，可为了能较全面地照顾到小、中、大及特大型作业，可以采取多种组织方式来构成文件的物理结构。如果盘块的以采取多种组织方式来构成文件的物理结构。如果盘块的大小为大小为1 1KBKB或或4
16、 4KBKB，对于小文件，对于小文件( (如如1 1KBKB1010KBKB或或4 4KBKB4040KB)KB)而言，最多只会占用而言，最多只会占用1010个盘块，为了能提高对数量众个盘块，为了能提高对数量众多的小型作业的访问速度，最好能将它们的每一个盘块地多的小型作业的访问速度，最好能将它们的每一个盘块地址都直接放入文件控制块址都直接放入文件控制块FCB(FCB(或索引结点或索引结点) )中，这样就可以中，这样就可以直接从直接从FCBFCB中获得该文件的盘块地址。中获得该文件的盘块地址。 2) 2) UNIX System VUNIX System V的组织方式的组织方式在在UNIX System VUNIX System V的索引结点中设有的索引结点中设有1313个地址个地址项，即项，即i.addri.addr(0)(0)i.addri.addr(12)(12)，如图，如图8-88-8所示。所示。(1) (1) 直接地址。直接地址。(2) (2) 一次间接地址。一次间接地址。(3) (3) 多次间接地址。多次间接地址。 图图8-8 8-8 混合索引方式混合索引方式8.2 8.2
