第七、八章|第七、八章 文件与磁盘空间管理
1.文件、文件系统
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
【第七、八章|第七、八章 文件与磁盘空间管理】无结构:字符流的形式
属性:类型、长度、物理位置、创建时间
2)文件类型
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
3)文件系统模型
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4)文件操作
创建/删除文件:分空间,形成FCB及目录(名,地址)
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。
每次读写前都要重复检索增大开销。所以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。
2.文件的逻辑结构
1)文件逻辑结构的类型
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。
(1)顺序文件
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
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)。
(2)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
(3)索引顺序文件
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。
(4)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
3.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。
注意与逻辑结构名类似但不是一回事。
1)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
2)链接分配
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
(1)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
(2)显式链接
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
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。
(3)索引分配
链接的不足
顺序检索的时间成本:不能支持高效的盘块直接存取。要对一个文件进行直接存取,仍需在FAT中顺序的查找许多盘块号。
链接信息的空间成本:FAT需占用较大的内存空间。当磁盘容量较大时,FAT可能要占用数MB以上的内存空间。这是令人难以忍受的
改进:
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;
①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。
②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。
③混合组织索引(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
4.存储空间的管理
1)空闲表和空闲链表法
(1)空闲表法
常用于连续分配管理方式
(2)空闲链表法
①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。
②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
2)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=m*n。可用m*n个位数来构成位示图,可看成是二维数组(数据结构)。
盘块的分配与回收:
(1)根据位示图进行盘块分配:
顺序扫描位示图。找到为0的二进制位。
将所找到的一个或一组二进制位,转换成与之对应的盘块号。进行分配操作。
盘块号计算公式为:盘块号 = 列总数*(i-1)+ j;
(注意下标i,j从1开始)
修改位示图。
(2)根据位示图进行盘块回收:
将回收盘块的盘块号转换成位示图中的行号和列号。转换公式为:i=(盘块号-1)div列数+1;j=(盘块号-1)mod列数+1
Div 求商,mod 取余,公式中的i、j都是从1开始的
(如12号盘块转换后为1,12)
修改位示图。
3)成组链接法
大型文件系统,空闲表或空闲链表太长不方便管理操作。
UNIX系统中采用成组链接法,这是将两种方法结合而形成的一种空闲盘块管理方法。
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。
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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。
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