【操作系统】文件管理（五）—— 文件的物理结构（文件的分配方式）
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- 前言
- 一、文件的分配方式（文件的物理结构）
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- （一）、文件块、磁盘块
- （二）、连续分配
- （三）、链接分配
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- 1. 隐式链接
- 2. 显式链接
- 3. 链接分配的总结
- （四）、索引分配
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- 1. 链接方案
- 2. 多层索引
- 3. 混合索引
- 4. 索引分配总结
- 二、文件物理结构总结
前言
操作系统对文件管理中需要对磁盘块进行管理。这其中包含对空闲磁盘块和非空闲磁盘块的管理。
- 对非空闲磁盘块的管理涉及文件的物理结构/文件的分配方式。
- 对空闲磁盘块的管理涉及文件存储空间的管理。
本章主要对文件的物理结构进行总结说明，对文件存储空间的管理，见下述链接文章：
一、文件的分配方式（文件的物理结构）
文件的分配方式（文件的物理结构）：即文件数据是怎样存放在外存中的。
（一）、文件块、磁盘块
类似于内存分页，磁盘中的存储单元也会被分为一个个“块/磁盘块/物理块”。很多操作系统中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同。
操作系统为文件分配存储空间都是以块为单位的。为了方便对文件数据的管理，文件的逻辑地址空间也被分为了一个一个的文件“块”。文件的逻辑地址也可以表示为
（逻辑块号，块内地址）。
文件分配方式
（二）、连续分配
连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。连续分配支持顺序访问
和直接访问（即随机访问）。
（1）读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需时间就越长。所以连续分配的文件在顺序读/写时速度最快。
（2）由于采用连续结构，因此文件A占用的磁盘块必须是连续的。物理上采用连续分配的文件不方便拓展。
（3）物理上采用连续分配，存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片可以用紧凑来处理碎片，但是需要耗费很大的时间代价。
优点：支持顺序访问和直接访问（即随机访问）；连续分配的文件在顺序访问时速度最快。
缺点：不方便文件拓展；存储空间利用率低，会产生磁盘碎片。
（三）、链接分配
链接分配采取离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显式链接两种。
1. 隐式链接
（1）采用链式分配（隐式链接）方式的文件，只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低。另外，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。
（2）读入 i 号逻辑块，总共需要 i+1 次磁盘
I/O。
（3）采用隐式链接的链接分配方式，很方便文件拓展。 另外，所有的空闲磁盘块都可以被利用，不会有碎片问题，外存利用率高。
隐式链接——除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存有指向下一个盘块的指针。文件目录包括文件第一块的指针和最后一块的指针。
优点：很方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高。
缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。
2. 显式链接
把用于链接文件各物理块的指针显式地存放在一张表中。即 文件分配表（FAT，File Allocation Table）。【注意：一个磁盘仅设置一张FAT。 开机时，将FAT读入内存，并常驻内存。】
显式链接实现文件的逻辑块号到物理块号的转变的步骤：
从目录项中找到起始块号，若 i>0，则查询内存中的文件分配表FAT， 往后找到 i 号逻辑块对应的物理块号。逻辑块号转换成物理块号的过程不需要读磁盘操作。
结论：采用链式分配（显式链接）方式的文件，支持顺序访问，也支持随机访问（想访问 i 号逻辑块时，并不需要依次访问之前的 0 ~ i-1 号逻辑块），由于块号转换的过程不需要访问磁盘，因此相比于隐式 链接来说，访问速度快很多。显然，显式链接也不会产生外部碎片，也可以很方便地对文件进行拓
展。
3. 链接分配的总结
隐式链接 —— 除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存有指向下一个盘块的指针。文件目录包括文件第一块的指针和最后一块的指针。
- 优点：很方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高。
- 缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。
显式链接 —— 把用于链接文件各物理块的指针显式地存放在一张表中，即 文件分配表（FAT，File Allocation Table）。一个磁盘只会建立一张文件分配表。开机时文件分配表放入内存，并常驻内 存。
- 优点：很方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高，并且支持随机访问。相比于隐式链接来说，地址转换时不需要访问磁盘，因此文件的访问效率更高。
- 缺点：文件分配表的需要占用一定的存储空间。
注：考试题目中遇到未指明隐式/显式的“链接分配”，默认指的是隐式链接的链接分配
（四）、索引分配
索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块（索引表的功能类似于内存管理中的页表——建立逻辑页面到物理页之间的映射关系）。索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。
假设某个新创建的文件“aaa”的数据依次存放在磁盘块 2 → 5 → 13 → 9 。 7号磁盘块作“aaa”的索引块，索引块中保存了索引表的内容。
用户给出要访问的逻辑块号 i，操作系统找
到该文件对应的目录项（FCB）。
从目录项中可知索引表存放位置【系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块。目录项中存放了索引表存放的位置——索引块】，将索引表从外存读入内存，并查找索引表即可只 i 号逻辑块在外存中的存放位置。
注：在显式链接的链式分配方式中，文件分配表FAT 是一个磁盘对应一张。而索引分配方式中，索引表是一个文件对应一张。
思考：如果一个文件的大小使得那么一个磁盘块是装不下文件的整张索引表的，如何解决这个问题？
①链接方案
②多层索引
③混合索引
1. 链接方案
① 链接方案：如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放。
若想要访问文件的最后一个逻辑块，就必须找到最后一个索引块，而各个索引块之间是用指针链接起来的，因此必须先顺序地读入前 n-1 个索引块。这显然是很低效的。如何解决呢？
2. 多层索引
② 多层索引：建立多层索引（原理类似于多级页表）。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。
假设磁盘块大小为1KB，一个索引表项占4B，则一个磁盘块只能存放256 个索引项。
若某文件采用两层索引，则该文件的最大长度可以到 2562561KB = 65,536 KB = 64MB 可根据逻辑块号算出应该查找索引表中的哪个表项。
如：要访问 1026 号逻辑块，则
1026/256 = 4，1026%256 = 2
因此可以先将一级索引表调入内存，查询 4 号表项，将其对应的二级索引表调入内存，再查询二级索引表 的2号表项即可知道 1026 号逻辑块存放的磁盘块号了。
访问目标数据块，需要3次磁盘I/O。
采用 K 层索引结构，且顶级索引表未调入
内存，则访问一个数据块只需要 K + 1 次
读磁盘操作。
3. 混合索引
③混合索引：多种索引分配方式的结合。例如，一个文件的顶级索引表中，既包含直接地址索引（直接
指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表）、还包含两级间接索引（指向两层索引表） 。
4. 索引分配总结
索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块（索引表的功能类似于内存管理中的页表——建立逻辑页面到物理页之间的映射关系） 。索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。
若文件太大，索引表项太多，可以采取以下三种方法解决：
①链接方案：如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放。缺点：若文件很大，索引表很长，就需要将很多个索引块链接起来。想要找到 i 号索引块，必须先依次读入 0~i-1 号索引块，这就导致磁盘I/O次数过多，查找效率低下。
②多层索引：建立多层索引（原理类似于多级页表）。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。采用 K 层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问一个数据块只需要 K + 1 次读磁盘操作。缺点：即使是小文件，访问一个数据块依然需要K+1次读磁盘。
③混合索引：多种索引分配方式的结合。例如，一个文件的顶级索引表中，既包含直接地址索引（直接指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表）、还包含两级间接索引（指向两层索引表） 。
优点：对于小文件来说，访问一个数据块所需的读磁盘次数更少。
超级超级超级重要考点：①要会根据多层索引、混合索引的结构计算出文件的最大长度（Key：各级索引表最大不能超过一个块）；②要能自己分析访问某个数据块所需要的读磁盘次数（Key：FCB中会存有指向顶级索引块的指针，因此可以根据FCB读入顶级索引块。每次读入下一级的索引块都需要一次读磁盘操作。另外，要注意题目条件 —— 顶级索引块是否已调入内存）
二、文件物理结构总结
