磁盘管理

磁盘管理

• 文件定义、类型、文件系统模型
• 文件结构、外存分配
• 目录（层次、检索）、存储空间管理
• 两种常用文件共享方法
• 文件保护、数据一致性、磁盘提速…

一、文件和文件系统

文件管理：把所管理的程序和数据组织成一系列的文件，并能进行合理的存储、使用等操作。
1 ）基本概念

• 数据项：描述对象某种属性的字符集；是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位。
• 记录：一组相关数据项集合，描述对象某方面的属性；
• 关键字：一个记录中的一个或几个数据项的集合，用于唯一的标识一个记录。
• 文件：由创建者定义的、具有文件名的一组相关元素的集合。
  • 有结构：由相关记录组成
  • 无结构：字符流的形式
  • 属性：类型、长度、物理位置、创建时间

文件类型

不同的系统对文件的管理方式不同
大多用扩展名标志文件类型，按如下几种方式分类文件

• 按用途：系统、用户、库文件
• 按数据形式：源文件、目标文件、可执行文件
• 按存取控制属性：只执行、只读、读写
• 按组织和处理方式：普通文件、目录文件、特殊（设 备）文件

文件操作

• 创建/删除文件
• 读、写：按名检索目录，找到文件地址，开始读、写
• 设置文件读写位置，实现随机存取（尤其适用于记录文件）
• 还需要：“打开”与“关闭”：
  文件读/写操作 = 检索 + 读/写。
  • 为了方便对同一文件的多次读写，一次检索到文件后就在内存中记录其位置，避免重复检索。被记录下位置的文件就是“打开”文件；
  • 不需要再操作文件时，通过“关闭”这个系统调用关闭文件——即从打开文件表上删除其路径信息即可。
    其他操作：改名、改所属用户、改访问权限等属性的操作。

二、文件的逻辑结构

有结构文件（记录式）
①定长记录
②变长记录

如何组织记录：

• 顺序文件。系统需按该类型记录“长度”，通常定长。
• 索引文件。系统需为文件建立索引表。
• 索引顺序文件。建索引表，记录每组记录的第一个记录位置。
• 无结构文件（字符流式）
  字节为单位，利用读写指针依次访问。
  系统对该类文件不需格式处理。

两种记录排列方式

• 串结构：按记录形成的时间顺序串行排序。记录顺序与关键字无关；
• 顺序结构：按关键字排序。

检索方法：

• 从头检索，顺序查找要找的记录，定长的计算相对快。
• 顺序结构，可用折半查找、插值查找、跳步查找等算法提高效率

顺序结构记录按关键字排序，可按关键字检索
定长：结合折半查找算法等提高检索速度

变长：从第1个记录开始顺序扫描，直到扫描到要检索的关键字标识的记录（例如：数据库、文件系统的基于文件名排序的目录检索）

优缺点

• 不方便随机存取某条记录，但适用批量存取的场合。
• 适合磁带等特殊介质。
• 单记录的查找、修改等交互性差；增减不方便（改进办法：把增删改的记录登记在一个事务文件中，在某段时间间隔后再与原文件合并更新）。

索引文件

为了方便单个记录的随机存取，为文件建立一个索引表，记录每项记录在文件的逻辑地址及记录长度；该索引表按关键字排序，。
索引表内容：

 索引号、长度、记录地址指针

检索效率
索引表本身即是个按记录键排序的定长顺序文件，所以能利用算法提高索引表检索速度

优缺点

• 适用于变长记录，可提高检索速度，实现直接存取
• 索引表增加了存储开销

索引顺序文件

• 既要方便，又要降低开销
  本方式是最常见的一种逻辑文件形式。
  • 将顺序文件的所有记录分组
  • 还是建立索引表，但每个表项记录的是每组第1条记录的键值和地址。
  • 组内记录仍按顺序方式检索和使用。
• 检索一条记录的过程：
  • 先计算记录是在第几组，然后再检索索引确定组在哪里后，在组内顺序查找。
• 可利用多级索引，进一步提高检索效率。

直接文件

给定键值（如学号）不需顺序检索直接得到记录的物理地址

三、外存分配方式

目标：有效利用外存空间，提高文件访问速度

常用三种方式：

• 连续分配
• 链接分配（不连续）
• 索引分配

通常一个系统中仅采用一种方式

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。

连续分配

• 为每一个文件分配一组相邻的盘块。

• 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

连接分配

• 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。
• 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

链接方式

• 隐式链接

• 链接信息隐含记录在盘块数据中；

• 每个盘块拿出若干字节，记录指向下一盘块号的指针。

• 问题：只能顺着盘块读取，可靠性低

• 显式链接

  • 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的“物理地址”字段中。
  • 记录盘块链接的指针显示地记录为一张链接表
  • 所有已分配的盘块号都记录在其中，称文件分配表
  • 为了提高文件系统访问速度，FAT一般常驻内存

操作系统允许有逻辑结构的文件，但具体结构一般由软件定义

磁盘组织

以簇为单位分配回收、但不规定盘块大小

文件组织

以卷为单位，将卷的所有文件信息、目录信息、可用未分配空间记录在主控文件表MFT中。
每个文件的信息对应一行，固定大小1KB，称为元数据

索引分配

• 系统运行时只涉及部分文件，FAT表无需全部调入内存
• 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；
• 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；

单级索引分配

索引形式适合大文件

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。

多级索引

若文件较大，存放索引表也需要多个盘块（索引盘块）。

• 索引盘块亦需要按顺序管理起来
• 若索引盘块数量较少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。

增量式索引组织方式
多种索引方式相结合，以UNIX system V的索引结点为例：

• 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
• iaddr（0）~iaddr（9）存放直接地址，即存文件数据的盘块号；
• iaddr（10）存放单级索引的索引盘块号；

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
• iaddr（12）存放三级索引的主索引盘块号

四、存储空间管理

• 记住空闲存储空间使用情况；为空间设置相应的数据结构；
• 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
2）位示图法
3）成组链接法

空闲表法

• 常用于连续分配管理方式

数据结构

• 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。）
• 将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列。

存储空间的分配与回收操作

• 与内存的动态分配类似，同样可采用首次适应算法、循环首次适应算法等。
• 回收主要解决对数据结构的数据修改。
• 虽然很少采用连续分配方式，然而在外存的管理中，由于它具有较高的分配速度，可减少访问磁盘的I/O频率，故它在诸多分配方式中仍占有一席之地。（如实现虚拟用的部分外存就是连续分配方式）

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：

• 空闲盘块链

  • 将磁盘上的所有空闲空间，以盘块为单位拉成一条链。
  • 因创建文件而请求分配空间时，系统从链首依次摘下适当数目的空闲盘块分配给用户。
  • 因删除文件而释放存储空间时，系统将回收的盘块依次插入空闲盘块链的末尾。

• 优点：分配和回收一个盘块的过程非常简单，但为一个文件分配盘块时，可能要重复操作多次。

• 空闲盘区链

  • 将所有空闲盘区拉成一条链。每个盘区上含有：
    指示下一空闲盘区的指针、本盘区大小等信息

分配通常采用首次适应算法。回收盘区时，将回收区与相邻的空闲盘区相合并。

为提高检索速度，可以采用显式方法，为空闲盘区建立一张链表放在内存中。

分配、回收操作涉及的链式数据结构的处理方便

空闲盘块链

分配回收简单。链表长，大量分配时需要操作的指针多

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。

位示图法

• 利用二进制的一位来表示一个盘块的使用情况。
  • 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。
• 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。
• 总块数=mn。可用mn个位数来构成位示图，可看成是二维数组（数据结构）。

优点：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。

成组链接法
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。

成组链接法

• 链表长度上限固定
• 组内的盘块借助一个系统栈可快速处理，且分配回收比较简单。
• 支持离散分配回收。
  链接
  每一组的第一个盘块记录下一组的盘块号，形成了一条链。
  总将链的第一组盘块总数和所有的盘块号 ，记入栈， 作为当前可供分配的空闲盘块号。

五、目录管理

对文件实施有效的管理，必须对它们加以妥善组织，主要是两大操作：

• 基本信息记录(FCB,目录项)
• 方便检索、管理（目录操作）

对一个文件进行正确的存取，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称之为“文件控制块”（FCB）

文件与文件控制块一一对应

记录文件名及其存放地址、文件的说明和控制信息。
文件管理程序借助于文件控制块中的信息对文件施以各种操作。
把文件控制块的有序集合称为文件目录，即一个文件控制块就是一个目录项。通常一个文件目录也被看作是一个文件，称为目录文件。

索引节点

索引结点的引入

• 文件目录占越大量的盘块，需进行的磁盘读写开销越大。减少实际检索的信息量就减少移动磁头的开销，提高速度；
• 目录一般是按名检索。而直到找到正确文件前，只关心文件名，不需要其它的文件描述信息，目录中这部分内容的调入不是必须的。
• 所以：将文件名、文件具体信息分开，使文件描述信息单独形成一个索引结点。

索引结点由外存到内存的过程中有不同的形式：

• 磁盘索引结点
  • 存放在磁盘上的索引结点。主要包括以下内容：文件主标识符、文件类型、文件存取权限、文件物理地址、文件长度、文件连接计数、文件存取时间。
• 内存索引结点
  • 文件被打开后，将磁盘索引结点拷贝到内存索引结点中以便使用。比磁盘索引结点增加了以下内容：索引结点编号、状态、访问计数、文件所属文件系统的逻辑设备号、链接指针。

目录结构

目前常用的目录结构形式有

• 单级目录

  • 最简单的目录结构。
    整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件一个目录项，含有文件相关信息。
  • 每建立一个新文件：
    1、先检索所有的目录项，保证文件名唯一。
    2、获得一空白目录项，填入相关信息，修改状态位（表明每个目录项是否空闲）。
  • 删除一个文件：
    找到对应目录项，回收文件所占用空间
    清除目录项
  • 优点：简单、能实现目录管理的基本功能——按名存取。
  • 缺点：
    1、文件检索时需搜遍整个目录文件，范围大速度慢。
    2、不允许重名。名字过多难于记忆，对于多用户环境重名难以避免。
    3、不便于实现文件共享（因为不能重名，不同用户使用的共享文件必须不同名字，标识哪些用户共享文件也不方便），一般只适用单机环境。

• 两级目录

  • 基本克服了单级目录的缺点，并具有以下优点：
  • 提高了检索目录的速度。
  • 在不同的目录中可重名。
  • 不同用户还可以使用相同/不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。
  • 不提供子目录操作，还不方便；各用户之间被完全隔离的话用户访问其他用户文件时，不方便合作。

• 多级目录

  • 适用于较大的文件系统管理。又称为树状目录(tree-like)
  • 在文件数目较多时，便于系统和用户将文件分散管理。
  • 层次结构更清晰、提供更灵活的权限管理等
  • 但目录级别太多时也会增加路径检索层次，增加磁盘访问时间。

六 、文件共享与保护

1）文件共享
多个用户共享一份文件，只保留文件的一份副本，节约存储空间

共享范围：单机系统/多主机系统/网络范围

2）共享方式

索引结点
符号链