操作系统文件的物理结构（文件分配方式）

Posted 2021-10-19 bfhonor

一、文件的物理结构（文件实现）

（一）文件块、磁盘块

（二）文件分配方式

1. 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
  
  
  
  
• 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

2. 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

• 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
  
  
• 是否方便拓展文件？
• 若此时要拓展文件，则可以随便找一个空闲磁盘块，挂到文件的磁盘块链尾，并修改文件的FCB
• 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。
• 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

（2）显示链接

• 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）
  
• 假设某个新创建的文件“aaa”依次存放在磁盘块 2 →5 →0 →1
• 假设某个新创建的文件“bbb”依次存放在磁盘块 4 →23 →3
• 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。 FAT 的各个表项在物理上连续存储，且每一个表项长度相同，因此“物理块号”字段可以是隐含的。
  
• 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。

（二）索引方式

• 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。
  
• 如何实现文件的逻辑块号到物理块号的转换？
  ①、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）…
  ②、从目录项中可知索引表存放位置，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。
  ③、可见，索引分配方式可以支持随机访问。文件拓展也很容易实现（只需要给文件分配一个空闲块，并增加一个索引表项即可）但是索引表需要占用一定的存储空间
• 若每个磁盘块1KB，一个索引表项4B，则一个磁盘块只能存放 256 个索引项。
• 如果一个文件的大小超过了256块，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

• 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。
  

2. 多层索引

• 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.
  

3. 混合索引

• 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） 。
  
• 这种结构的索引支持的最大文件长度为65800KB
• 若顶级索引表还没读入内存：
  ①、访问0~7号逻辑块:两次读磁盘；
  ②、访问8~263:三次读磁盘；
  ③、访问264~65799：四次读磁盘；
• 对于小文件来说，只需较少的读取磁盘次数就可以访问目标数据块。（一般计算机中小文件更多）

---

• 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）
  

---