【操作系统】磁盘空间的分配

磁盘被操作系统抽象成连续的块，一个块通常为512B，那不同大小的文件在磁盘中需要不同个数的块来存储，不同类型的文件在访问时有不同的特征，有的是连续访问，有的是随机访问，有的文件一次写后就不变了，有的会频繁的增加和删除。所以操作系统在选择磁盘空间的分配方法时需要考虑这个问题。

一、连续分配

上图是一个连续分配的例子，连续分配要求文件在磁盘中以连续的块存储，文件目录记录了文件的起始块和使用的块的个数（长度），这样不论是对连续的访问还是随机的访问都很友好，连续的访问对于磁头来说基本不需要移动，随机的访问也可以根据块的位置来直接移动磁头。

问题1：对于空闲空间的管理会很麻烦，因为连续的存储会产生很多外部碎片。

解决办法：可以把这一片磁盘区域都复制到另一个磁盘区域，这样就创建了一个大量的连续空间，然后再把之前复制走的数据用连续分配的方式复制回来。

仍存在的问题：这样效率极其低下，而且在复制的这段时间服务器需要停机。

问题2：无法预知一个文件会用多少空间，这样等到时候要写的时候发现没地了。

解决方法：

1、可以出现这种情况时终止用户程序，但是这样用户就可能会在申请时申请过多的空间，从而导致浪费。

2、也可以在出现这种情况时再找一片大区域，把旧的和新的要写的复制到新的大区域里，但这样仍旧低效。

问题3：就算可以预知最终文件需要用的空间，但是一个文件可能数年都不会达到这个最后的值，那先前的这段时间都相当于浪费了空间。

解决办法：当空间不够时，可以加一个扩展在别的地方，这样文件块位置的记录就变成首块的地址，块数，下一个扩展的首块地址，这样构成一个类似于链表的结构。

仍存在的问题：如果扩展设置的过大，可能会导致内部碎片；尽管设置了扩展，但本质还是连续的空间，外部碎片仍然存在。

二、链接分配

 上图是链接分配的一个例子，链接分配维护一个类似于链表的结构，在目录中存文件的起始块和结束块位置。这样做没有外部碎片，而且增长起来也方便，事先也不用知道文件会有多大。

问题1：随机访问很耗时，因为必须从第一块找起。

问题2：因为每个块都要存下一个块的指针，假设521B里就会有4B，那么就是0.78%的空间被用作指针了，会很消耗空间。

解决方法：可以将多个块组成簇（cluster），按簇分配，这样其实相当于是结合了一部分连续分配的思想，可以减少磁头移动（因为有很多块是连续的了）；其次在分配时按簇分配，意味着管理空闲空间时也按簇管理，这样空闲空间列表会更短；同时原来是一个块一个指针，现在变成一个簇也就是多个块一个指针了，减少了指针的空间消耗；

仍存在的问题：因为引入了连续分配，所以会有内部碎片，试想一个簇中只用了一部分块，没用完，就产生了内部碎片。

问题3：可靠性问题。试想这样一种情况，其中一个块坏掉了，那这一整条链表的后面就都丢失了。

解决方法：

1、双向链表

2、每个块都各自存储文件的名字和他的相对块号

仍存在的问题：这两种方法显然都增加了开销。

链接分配的一个变种：文件分配表（File-Allocation Table,FAT）

除开目录条目外，还要每个磁盘存一个FAT表，这个表通常存在磁盘的开头位置。这个表本质是一个长度为磁盘中块数的数组，数组中存的内容是他的文件的下一个块的块号，如果是空闲块，那就填0。也就是数据结构中数组表的思想。这样优化了随机访问，因为可以在FAT中找到要访问的块，然后直接去磁盘中找。

仍存在的问题：这个FAT是在磁盘头的，也就是说，如果不将他缓存，那么顺序访问就要将磁头移到磁盘的开头，在FAT表里找下一块的块号，然后再根据块号去磁盘中找，然后再移回来找块号，然后再去找，如此反复，极大的增加了磁盘的磁头寻道时间。

三、索引分配

 上图是一个索引分配的例子，每个文件有一个索引块，里面按顺序存放了该文件所有块的块号。目录中存放的是各文件索引块的块号。这样就既解决了内部碎片和外部碎片，又解决了随机访问不便的问题。

问题：只有当索引块完全使用时，指针消耗的空间才和链接分配一样，不然索引块有空余，浪费的空间就比链接分配多，所以这就有一个问题，如何设计索引块。

这里看unix的索引块设计，

他一共有16个指针，前13个是直接指向数据块的，后三个都是间接索引，第14个指向一个索引块，也就是一级间接索引，第15个指向一个索引块的索引块，也就是二级间接索引，第16个三级间接索引同理。 这样前13个可以指向13个块，第14个可以指向512B/8B=64个块，第15个可以指向64*64=4096=4K个块，第16个可以指向64*64*64=262144=256K个块，加起来大概260K个块，一个块512B，那最大的文件大小就是大概130MB。

每多一层索引就要多一次到磁盘中找，所以这是操作系统中典型的一个以时间换空间的例子。