操作系统4.1.5 文件存储空间管理
本节学习需要注意的三个方面：
- 用什么方式记录、组织空闲块？
- 如何分配磁盘块
- 如何回收磁盘块
一、存储空间的划分与初始化
存储空间的划分（为磁盘分区）：将物理磁盘划分为一个个文件卷（逻辑卷、逻辑盘）
在存储空间初始化时，需要将各个文件卷划分为目录区、文件区。
- 目录区：主要存放文件目录信息（FCB）、用于磁盘存储空间管理的信息
- 文件区：主要存放文件数据
有些系统支持超大型文件，可支持由多个物理磁盘组成一个文件卷，如下图。
二、存储空间管理——空闲表法
空闲表法：即用一张表记录磁盘中空闲的盘块。此方法适用于“连续分配方式”。
空闲表的表项由空闲盘的起始块号和空闲盘块数组成。如下图所示
Q：采用这种方法如何分配磁盘块？
与内存管理中的动态分区分配类似，为一个文件分配连续的存储空间。同样可以采用首次适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法，临近适应算法来决定要为文件分配哪些区间。
例如，如果新创建的文件请求3个块，按照首次使用算法，从10号块开始有5个连续的块可以满足需求，所以把10、11、12三个块分配给文件，分配后的空闲盘块表如下
Q：如何回收磁盘块？
与内存管理中的动态分配很类似，当回收某个存储区时需要分为四种情况：
- 回收区前后都没有相邻空闲区——为空闲盘块表增加一个表项即可；
- 回收区前后都是空闲区——将回收区和回收区前后的两个空闲区合并为一个空闲区；
- 回收区前是空闲区——将回收区和前空闲合并为一个空闲区；
- 回收区后是空闲区——将回收区和后空闲合并为一个空闲区。
这里以回收区前后都是空闲区为例，磁盘是第一幅图的状态，
如果回收21、22号磁盘块，那么回收后的空闲盘块表如下图所示。
其他情况与之类似，回收时注意表项能合并的话就需要合并。
三、存储空间管理——空闲链表法
空闲链表法分为两种：空闲盘块链和空闲盘区链。
下图分别表示空闲盘块链和空闲盘区链。
空闲盘块链中存储着下一个空闲盘块的指针。
空闲盘区链中连续的空闲盘块组成了一个空闲盘区，每个盘区中的第一个盘块记录了盘区长度和指向下一个盘区的指针。
如21、22、23号3个盘块组成的盘区，21号盘块中记录了指向下一个盘区的指针（即指向6、7号盘块组成的盘区的指针）和盘区的长度3，其他的盘块类似。
1、空闲盘块链
操作系统保存着链头、链尾指针。
①如何分配：如过某文件申请K个盘块，则从链头开始依次摘下K个盘块分配，并修改空闲链的链头指针。
②如何回收：回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针。
下图表示分配了3个盘块：
下图表示回收了3个盘块：
从上面可以看出，空闲盘块法适用于离散分配的物理结构。为文件分配多个盘块时可能要重复多次操作。
2、空闲盘区链
操作系统保存着链头、链尾指针。
①如何分配：
1）若某文件申请K个盘块，由于空闲盘区链将连续的盘块组成一个盘区，所以若某个盘区大小满足可以实现一次分配，同样可以采用首次适用、最佳适用等算法，从链头开始检索，按照一定的规则找到一个大小符合要求的空闲盘区分配给文件。
2）若没有合适的连续空闲块，也可以将不同的盘区的盘同时分配给一个文件，同样分配后也需要修改相应的指针链和盘区大小等数据。
②如何回收：
1）若回收区和某个空闲盘区相邻，则需要将回收区合并到空闲盘区中。
2）若回收区没有和任何空闲区相邻，将回收区作为一个单独的一个空闲盘区挂到链尾。同样也需要修改链表指针和盘区大小等信息。
下图表示按照首次适应算法分配3个盘区
从上面可以看出，空闲盘区链对离散分配、连续分配都适用。为一个文件分配多个盘块时效率更高。
四、存储空间管理——位示图法（最常考）
位示图：磁盘内存被划分为一个个磁盘块，可以用二进制位对应一个盘块。
“0”代表盘块空闲，“1”代表盘块已分配。
位示图一般用连续的“字”来表示，下图中一个字的字长是16位，字中的每一位对应一个盘块。
因此可以用（字号，位号）对应一个盘块号。
也可能用（行号，列号）来表示。
注：盘块号、字号、位号也可以从1开始，只是本案例中从0开始。
（王道书上给的是从1开始的算法）
①如何实现盘块号与（字号、位号）相互转换？
n表示字长
（字号，位号） = （i, j）的二进制位对应的盘块号 b = n * i + j
b号盘块对应的字号 i = b / n，位号 j = b % n
- （0,1）—> b = 16 * 0 + 1 = 1号块，从图可看出1号图已分配，同时位示图中（0,1）的二进制位也是1表示已分配
- (1,10) —> b = 16 * 1 + 10 = 26号块，从图可看出26号块是未分配的
- b = 13 —> i = 13 / 16 = 0，j = 13 % 16 =13，对应的（字号，位号） = （0，13），从位示图可以查出对应的二进制位为0，表示未分配
- b = 31 —> i = 31 / 16 = 1，j = 31 % 16 =15，对应的（字号，位号） = （1，15），从位示图可以查出对应的二进制位为0，表示未分配
②如何分配：
若文件需要k个块，
- 顺序扫描位示图，找到k个相邻或不相邻的“0”；
- 根据字号、位号算出对应的盘块号，将相应的盘块分配给文件；
- 将相应的位设置为“1”（设置为已分配状态）
③如何回收：
- 根据回收的盘块号计算出对应的字号、位号；
- 将相应的二进制位设置为“0”（设置为未分配状态）
从上面可以看出：位示图法对连续分配和离散分配都适用。
五、存储空间管理——成组链接法
空闲表法、空闲链表法不适用大型文件系统，因为空闲表或空闲联保可能过大。
UNIX系统中采用了成组链接法对磁盘空闲块进行管理。这是将上述两种方法相结合的而形成的一种空闲管理方法。
文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为超级块，当系统启动时需要将超级块读入内存。并且要保证与外存中的“超级块”的数据一致。
1、超级块实际上是一个栈结构，用来存放当前可用的一组空闲盘块号（最多含100个号）以及栈中尚有空间的块号数量N。
2、文件区中的所有空闲盘块分为若干个组，假设所有空闲盘块号是201~9999（实际上分组中的盘块号码是不要求连续的，不要求连续的，不要求连续的，这里是为了表述方便，认为空闲盘块连续的），将这些盘块进行分组，每组100个。
3、每一组含有的盘块总数N和该组的所有盘号块记入前一组的第一个盘块中。这样各组的第一个盘块可以链成一条链。
4、如果是最后一组，那么将前一个分组的第一个盘块的中存放空闲盘块链的结束标志符，如“-1”表示下一组是最后一个分组了。
①如何分配？
分配过程是从栈顶取出一空闲盘块号，将与之对应的盘块分配给用户，然后将栈顶指针下移一格，若该盘块号已是栈底（即第一个盘块），这是当前栈中最后一个可分配的盘块号。
由于在该盘块号所对应的盘块中记有下一组可用的盘块号，因此，不能直接将它分配掉，需要将它记录的下一组信息保存下来，所以必须调用磁盘读过程，将栈底盘块号所对应盘块的内容读入栈中，作为新的盘块号栈的内容，并把原栈底对应的盘块分配出去(其中的有用数据已读入栈中)。
然后，再分配一相应的缓冲区(作为该盘块的缓冲区)。最后，把栈中的空闲盘块数减1 并返回。
Eg1：如果此时新建一个文件需要一个空闲块
- 检查第一分组的块数是否足够。1<100，所以足够分配
- 将栈顶的盘块号即201号盘块对应的盘块分配出去，且将那个空闲块的数据删除，如下图
- 空闲盘块号由100减为99
Eg2： 需要100个空闲块
- 检查分组的块数是否足够。100=100，是足够的
- 将第一分组中的100个空闲块分配出去。但是由于300号盘块记录了再下一组的信息，因此需要将300号盘块从外存（磁盘）读入内存，将300号盘块记录的信息，写入空闲盘块号栈（复制到超级块中）
- 将100个空闲区都删除
②如何回收？
在系统回收空闲盘块时，须调用盘块回收过程进行回收。
它是将回收盘块的盘块号记入空闲盘块号栈的顶部，并执行空闲盘块数加 1 操作。
当栈中空闲盘块号数目已达 100 时，表示栈已满，便将现有栈中的100 个盘块号记入新回收的盘块中，再将其盘块号作为新栈底。
Eg1：以分配的第一个图为例，201盘块被分配出去了，如果此刻有个文件被删除了，其占用的盘块是199号，系统需要回收这个盘块，发现此时空闲盘块号栈中记录空闲块数为99，直接将盘块号记录栈顶，将空闲盘块数加1即可。
Eg2：如果此时又有一个文件被删除了，其占用的盘块是190，此时空闲盘块号数已经达到100了，就需要将现在空闲盘块栈中信息记入新回收的块中。
六、小结
注意：
- 目录区包含什么
- 空闲表法分配时会与哪些算法结合
- 位示图法要能推出盘块号、字号、位号的公式
- 字号、位号、盘块号到底从0开始还是1开始
- 成组链接法很难出考题